Intrinsic toroidal rotation driven by turbulent and neoclassical processes in tokamak plasmas from global gyrokinetic simulations
本研究利用全局全f回旋动理学代码XGC模拟DIII-D H模等离子体，发现漂移轨道平行动量通量与E×B动量通量对残余应力贡献显著，揭示了其在本征环向旋转研究中的重要性。
2024-05-28 physics.plasm-ph
Pedestal and edge turbulence characteristics from an XGC1 gyrokinetic simulation
为了可靠地预测未来聚变装置的性能，需要了解边缘区域（基座+刮削层）的多尺度新古典和湍流物理。我们探讨在边缘区域的湍流特性，从多尺度新古典和湍流XGC 1 gyrokinetic模拟在DIII-D等托卡马克的几何形状，在这里不包括中性粒子和碰撞。对于具有陡峭基座的H模等离子体，电子密度起伏在分界线附近逐渐增大，并在SOL附近保持较高的水平，达到最大值$δn_e / \bar{n}_e \sim 0.18$ .在磁分界线表面周围会观察到斑点，并以通常小于1 km/s的速度径向向外传播。强极向运动的斑点也存在，接近20公里/秒，符合$E \times B$旋转。的电子密度波动显示在封闭的场线基座区域的负偏度，一致的存在下的“孔”，然后过渡到强的正偏度跨越分界线，并进入SOL。这些模拟表明，不仅新古典现象，而且湍流，包括斑点产生机制，可以保持重要的陡峭的H模式基座和SOL。将进行定性比较实验观察。
2017-03-08 physics.plasm-ph
Turbulent momentum transport due to neoclassical flows
托卡马克中的内禀环向旋转可以由湍流动量输运驱动，这是由于新经典流动效应打破了湍流的对称性。在本文中，我们分类的贡献，由于新古典效应的湍流动量输运，并评估每一个贡献使用gyrokinetic模拟。我们发现，每个贡献的相对重要性的变化与碰撞。对于低碰撞，主要贡献来自新经典粒子和平行流。对于中等碰撞性，由于新经典极向电场和密度和温度的极向梯度，有不可忽略的贡献，这对低碰撞性并不重要。
2015-06-02 physics.plasm-ph
Gyrokinetic understanding of the edge pedestal transport driven by resonant magnetic perturbations in a realistic divertor geometry
为了研究密度泵出和电子热约束问题，采用全f粒子回旋动力学程序XGC对共振磁扰动下的DIII-D H模边缘等离子体中的新经典和静电湍流输运进行了自洽模拟. RMP场是从扩展的磁流体动力学（MHD）代码M3 D-C1导入的，考虑到线性双流体等离子体响应。与新古典和湍流物理一起考虑，XGC模拟再现两个关键特征的实验观察到的边缘传输下RMP：增加径向粒子运输的基座区域，这是足以占实验泵出率，并抑制电子热通量的边缘基座的最陡峭的部分。在模拟中，在电子反磁方向上移动的模式的密度波动幅度增加，由于在基座肩部和向外的RMP的相互作用，而电子温度波动幅度减小。
2020-03-16 physics.plasm-ph
Gyrokinetic prediction of core tungsten peaking in a WEST plasma with nitrogen impurities
本文通过全f回旋动理学模拟预测WEST等离子体芯部钨峰化，发现氮杂质虽降低新经典峰化但会削弱湍流屏蔽而增强总体钨峰化，为ITER电流爬升阶段杂质注入与ECRH加热策略提供依据。
2024-10-18 physics.plasm-ph
Effects of collisional ion orbit loss on neoclassical tokamak radial electric fields
在托卡马克边缘等离子体中，离子轨道损失对于产生径向向内电场$E_r$是重要的。特别是，这种效果是强调在偏转托卡马克与磁X点。在新古典平衡中，库仑碰撞可以将离子散射到损失轨道上并产生径向向外的电流，该电流在稳态下由来自粘性的径向向内的电流平衡。为了定量测量这种损失轨道电流在边缘基座，离子轨道通量诊断已实施的轴对称版本的gyrokinetic粒子在细胞代码XGC。作为这种诊断的第一个应用，一个新经典的DIII-D H模式等离子体研究使用回旋离子和绝热电子。通过研究堆芯中$E_r$的碰撞弛豫，证明了诊断的有效性。在此演示之后，在准稳态的边缘基座的损失轨道电流的数值测量。在这种等离子体中，发现来自$E_r$的离子上的径向电力近似地平衡边缘基座中的离子径向压力梯度，来自等离子体流项的径向力是次要分量。轨道损失对$E_r$的影响很小。离子轨道损失将如何影响全电流ITER等离子体基座中的$E_r$，作为后续的研究课题。
2021-12-02 physics.plasm-ph
Intrinsic rotation with gyrokinetic models
本文考虑了托卡马克中湍流和新经典效应对内禀转动的产生。为了获得在实验中观察到的复杂的依赖性，有必要有一个模型的径向通量的动量重新分配的托卡马克在没有预先存在的速度。当使用最低阶gyrokinetic配方，对称的模型排除了这种可能性，使小的影响，在gyroradius尺度长度扩展的必要。这些通常很小的效应对于动量输运变得很重要，因为最低阶陀螺动力学公式的对称性导致最低阶动量通量的抵消。的准确性，需要获得的陀螺方程，以保留所有的物理相关的影响进行了讨论。
2012-03-22 physics.plasm-ph
Radio frequency induced and neoclassical asymmetries and their effects on turbulent impurity transport in a tokamak
杂质密度的极向不对称性可以由核心的射频加热和托卡马克等离子体边缘的新经典效应产生。在一个基座的案例研究中，使用全球新古典模拟，我们发现，有限的轨道宽度效应可以产生显着的极向变化的静电势，这在一个小的径向尺度上变化。陀螺动力学建模表明，这些极向不对称性可以足够强，以显着修改湍流杂质峰。在基座中，ExB在径向电场中的漂移对杂质极向运动的贡献大于平行流对杂质极向运动的贡献。在这种情况下，我们发现，上下不对称性也会影响杂质峰。
2013-11-20 physics.plasm-ph
Electrostatic gyrokinetic simulation of global tokamak boundary plasma and the generation of nonlinear intermittent turbulence
边界等离子体物理在托卡马克约束中起着重要的作用，但由于磁分界线和开放磁场几何中尺度不可分的非定域多物理，使得回旋动力学程序难以模拟。中性粒子也是边界等离子体物理的重要组成部分。本文报道了用惰性静电回旋技术模拟磁通驱动的低β静电边界等离子体。回旋运动离子和漂移运动电子的利用没有新古典和湍流动力学之间的尺度分离。结果表明，非线性间歇湍流是边界等离子体中磁分界面附近和刮削层中的一种自然回旋运动现象。
2017-01-25 physics.plasm-ph
A fast low-to-high mode bifurcation dynamics in a tokamak edge plasma gyrokinetic simulation
输运势垒的形成及其与流体和等离子体中剪切流的关系在各种自然和实验室观测中具有根本意义，并且在磁聚变装置中实现经济的能量生产中具有至关重要的意义。在这里，我们报告的第一个观察到的边缘输运势垒形成事件中进行了一个现实的托卡马克边缘几何形状的gyrokinetic模拟。结果表明，湍流Reynolds应力驱动的剪切ExB流与新经典轨道损失协同作用，抑制湍流输运，并在最后一个闭合磁通量表面内部形成输运势垒.
2017-05-08 physics.plasm-ph
Gyrokinetic ion and drift kinetic electron model for electromagnetic simulation in the toroidal geometry
电子的动力学效应对长波长磁流体动力学（MHD）不稳定性和短波长漂移Alfvenic不稳定性都很重要，因为非绝热电子可以与低频不稳定性相互作用，改变和驱动低频不稳定性。提出了一种新的守恒分裂权方法，用于托卡马克等离子体中漂移动力学电子的电磁场模拟，该方法在不牺牲物理特性的前提下，不受垂直网格尺寸对电子趋肤深度的数值约束，具有很大的计算优势.利用该模型验证了动力学Alfven波和无碰撞撕裂模的存在，并已将其应用于GTC程序中。该模型将用于微撕裂模和基于第一性原理的新经典撕裂模的模拟。
2017-02-05 physics.plasm-ph
Effects of collisions on conservation laws in gyrokinetic field theory
基于回旋运动场论，研究了碰撞对环形等离子体守恒律的影响。关联的碰撞系统与相应的碰撞系统在一个给定的时间，使这两个系统具有相同的分布函数和电磁场瞬间，它示出了如何碰撞项修改的无碰撞守恒定律从诺特定理。在陀螺运动方程中加入外源项的影响可以用与碰撞效应类似的公式表示。利用一种新的回旋碰撞算符，系统地导出了包含碰撞和湍流输运通量的粒子、能量和环向动量平衡方程，并给出了回旋中心空间中能量和正则环向角动量的碰撞变化率的保守形式.在本工作中给出的粒子，能量和环形动量的整体平均输运方程，包括经典，新古典和湍流输运通量同意从传统的递归公式。
2015-08-11 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas: Fluctuations, Transport and Energy Flows
本文提出了一个完整的托卡马克等离子体湍流和输运的理论框架。等离子体湍流中存在的基本尺度分离被编码为回转半径与平衡尺度长度之比的渐近展开。在此展开中逐阶进行，开发了等离子体湍流的框架。它包括一个瞬时的平衡，在平衡量的梯度驱动的波动，和这些量的平均配置文件的波动驱动的运输时间尺度的演变。平衡分布函数是局部麦克斯韦函数，每个通量面作为一个刚体作环形旋转。由旋转等离子体的Grad-Shafranov方程得到磁平衡，由安全因子q的演化方程给出磁场的慢（电阻）演化。新古典理论给出了分布函数与麦克斯韦分布函数的大尺度偏差。的波动是由高流量的回旋方程，从中我们推导出的控制原则，在托卡马克回旋湍流：守恒和本地级联的自由能。导出了平均密度、温度和流速分布演化的输运方程。这些输运方程显示了新古典修正和涨落是如何通过通量和加热作用于平均廓线的。导出了平均轮廓的能量和熵守恒定律。总能量守恒，没有净湍流加热。熵是由通量平坦梯度、欧姆加热和平均温度平衡的作用产生的。最后，在低马赫数极限下，将这个框架压缩成一组适于数值实现的简明方程。
2013-12-02 physics.plasm-ph
Is Turbulence able to Generate Magnetic Islands in Tokamaks? Gyrokinetic Simulations of Turbulence-Driven Magnetic Islands in Toroidal Geometry
本研究利用环形几何中的陀螺动力学模拟，揭示微观不稳定性通过 E×B 流驱动重联并形成、合并磁岛的普适机制，且该机制不依赖微观不稳定性的宇称。
2025-09-29 physics.plasm-ph
Long-wavelength limit of gyrokinetics in a turbulent tokamak and its intrinsic ambipolarity
最近，静电陀螺运动的哈密顿量和坐标变化已经计算到一般磁几何中的$ε^2$阶。这里$ε$是回旋运动膨胀参数，即宏观尺度长度上的回旋半径。从这些结果出发，将回旋动力学Fokker-Planck方程和准中性方程的长波极限用于托卡马克几何。利用本文导出的方程组，可以计算分布函数和极向电场的长波长分量，达到$ε^2$阶。这些高阶部分包含了新古典和湍流的贡献，并构成了一个必要的成分（另一个是由短波长的组件，直到二阶），最终将进入一个完整的模型在低流量的托卡马克中的径向传输的环形角动量。最后，我们提供了一个明确的和详细的证明，系统组成的二阶回旋福克-普朗克和准中性方程留下的长波径向电场的不确定性，即湍流托卡马克是固有的双极。
2014-07-23 physics.plasm-ph
Extension of gyrokinetics to transport time scales
回旋动力学模拟极大地提高了我们对聚变装置中湍流输运的理论理解。目前使用的大多数陀螺动力学模型都是delta-f模拟，其中密度和温度的缓慢变化的径向轮廓被假设为对于湍流饱和时间是恒定的，并且仅计算湍流电磁波动。正在建立新的大规模模拟，以自洽地确定密度和温度的径向分布。然而，这些新的代码没有意识到，现代gyrokinetic配方，由一个gyrokinetic福克-普朗克方程和gyrokinetic准中性方程，是唯一有效的delta-f模拟，不达到必要的更长的传输时间尺度演变径向配置文件。在托卡马克装置中，由于轴对称性，轴对称径向电场的演化是一个具有挑战性的问题，需要对回旋处理进行实质性修改。在这篇论文中，我研究了湍流对整体电场和等离子体流动的影响。通过研究电流守恒方程或涡量方程，我证明了长波长的轴对称流必须保持新经典，我表明托卡马克是内在的双极，即，对于任何长波长径向电场，径向电流为零到非常高阶。内禀双极性是现代回旋动力学方法问题的根源，因为低阶回旋动力学准中性（如果正确评估）有效地独立于径向电场。我提出了一个新的陀螺动力学的形式主义来解决的全球径向电场。
2013-09-27 physics.plasm-ph
Electrostatic gyrokinetic simulations in Wendelstein 7-X geometry: benchmark between the codes stella and GENE
第一个实验活动已经证明，由于新古典输运方面的磁结构的优化，湍流的贡献是必不可少的理解和预测的总粒子和能量传输在Wendelstein 7-X（W7-X）。这促使人们在陀螺动力学建模方面做了大量工作，以解释现有的实验结果，并为下一次活动做准备。与此同时，新的仿星器陀螺动力学代码已经或正在开发中。因此，希望有一个足够完整的，文件和验证的W7-X几何的陀螺动力学模拟，新的代码或现有代码的升级，可以测试和基准。本文试图提供这样一组模拟的形式，最近开发的代码斯特拉和成熟的代码基因之间的一个全面的基准。该基准测试包括W7-X磁几何中的静电回旋动力学模拟，包括不同的通量管、线性离子温度梯度（ITG）和捕获电子模式（TEM）稳定性分析、线性带状流响应的计算以及ITG驱动的热通量的计算。
2021-07-13 physics.plasm-ph
Development and validation of a local neoclassical transport module in NLT with applications to EAST-relevant impurity transport and trapped-electron-mode stability
Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
该研究在NLT中开发并验证局部新经典输运模块，包含多物种碰撞算子及两种求解策略，经与NEO基准测试，结果相符。此模块应用于EAST相关的钨杂质输运和捕获电子模稳定性研究，揭示了相关特性，扩展了NLT在多物种碰撞输运模拟方面的能力。
2026-07-14 physics.plasm-ph
A four-field gyrofluid model with neoclassical effects for the study of the rotation velocity of magnetic islands in tokamaks
从陀螺流体方程组出发，导出了包含新经典流动阻尼效应和最低阶有限拉莫尔半径修正的四场方程组。极向流阻尼的FLR修正通过求解简化的陀螺运动方程来计算。该方程组被应用到托卡马克中的一个链的自由旋转的磁岛的研究，从电阻撕裂模式的非线性演化产生的，以确定岛屿的旋转速度一致的场的径向轮廓接近谐振表面。岛的旋转速度是通过施加扭矩平衡条件来确定的。由此推导出的方程适用于两个不同的碰撞制度，即弱阻尼制度和中间阻尼制度的研究。方程减少，在弱阻尼制度，在以前的作品中已经获得的形式，而一个额外的条款，包含最低阶FLR修正极向流阻尼，出现在中间阻尼制度。的数值积分的最终系统的方程允许确定依赖的等离子体碰撞和岛屿的宽度相比，离子拉莫尔半径的岛屿旋转速度。
2017-10-10 physics.plasm-ph
The Eulerian variational formulation of the gyrokinetic system in general spatial coordinates
本研究拓展前期工作，提出一般空间坐标下带静电湍流的回旋动力学系统欧拉变分公式，通过拉格朗日密度对度量张量变分直接得到含湍流效应的对称压强张量，还分析了碰撞与外源项对动量平衡的修正，适用于非轴对称环形系统的全局回旋动力学模拟。
2021-02-05 physics.plasm-ph
Electromagnetic total-f algorithm for gyrokinetic particle-in-cell simulations of boundary plasma in XGC
本研究将XGC中原用于核心等离子体的简化delta-f混合变量/回拉电磁算法推广为可纳入边界等离子体的total-f电磁算法，通过类DIII-D的H模模拟验证其对提升电子输运模拟保真度的必要性。
2022-04-26 physics.plasm-ph
First-principles based plasma profile predictions for optimized stellarators
在这封信中，首次提出了计算机模拟预测现代优化仿星器的等离子体分布-同时自洽地保留新古典运输，具有3D效应的湍流运输和外部物理源。这些模拟利用了一个新开发的耦合框架，涉及全球陀螺湍流代码GENE-3D，新古典运输代码KNOSOS，和一维运输求解器TANGO。这个框架是用来分析最近观察到的能量约束在电子加热的等离子体中的Wendelstein 7-X仿星器，其中的中心离子温度被“钳位”到$T_i \approx 1.5$千电子伏，无论外部加热功率的退化。通过执行基于第一原理的模拟，我们提供了关键的证据来理解这种效果，即在一个有序度占主导地位的制度，这是加剧了大的$T_e/T_i$比率的电子和离子之间的低效的热耦合，并表明，一个更有效的离子热源，如直接离子加热，将增加轴上的离子温度。这项工作为使用高保真模型开发下一代仿星器铺平了道路，其中新古典和湍流传输同时优化。
2023-03-24 physics.plasm-ph
Nonlinear seed island generation by three-dimensional electromagnetic, gyrokinetic turbulence
湍流被证明是至关重要的新古典撕裂模式的发病和演变，影响其增长和旋转。本文首次在三维环形回旋框架内研究了这种相互作用。湍流波动不会在岛屿发展的早期破坏岛屿，岛屿在生长过程中保持着连贯的形式，事实上，岛屿是由非线性相互作用决定的，其旋转频率也是由非线性相互作用决定的。这个过程提供了一个初始结构，是离子回旋半径宽的顺序，允许岛迅速达到大尺寸。在分界面周围有很大程度的随机性，并且可以看到X点的完全击穿，这显著减小了有效岛宽度。岛中和周围的静电场的湍流修改极大地影响谐振层宽度的大小，并且即使岛明显宽于奇异层宽度，也可以看到岛以线性速率生长。
2014-03-06 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of intrinsic rotation in ASDEX Upgrade Ohmic L-mode plasmas
ASDEX升级（AUG）等离子体的非线性，径向全球，湍流模拟和非线性产生的本征流显示协议的欧姆L模式等离子体的核心在标称参数测量的本征流梯度。利用动力学电子模型的模拟显示中空的本征流剖面中所看到的在类似的等离子体参数进行的实验的主要数量。此外，与之前的通量管分析相比，观察到明显更大的流量梯度（Hornsby等人{ \it Nucl. Fusion}（2017））。绝热电子模型模拟可以示出在相对于动力学电子模拟的梯度中具有相反符号的流动轮廓，这意味着由于动力学电子而导致的残余应力的符号的反转。本征流的形状在很大程度上取决于密度梯度分布。计算了残余应力对密度分布曲率变化的敏感性，发现其明显强于对新古典流的敏感性（Hornsby等人{ \it Nucl. Fusion}（2017））。这种变化本身就足以解释在某些AUG实验中看到的本征流梯度的大变化。对湍流对称性破缺特性的分析表明，剖面剪切是产生有限平行波数的主要机制，湍流梯度效应对平行波矢量的贡献较小。
2018-01-31 physics.plasm-ph
Collision frequency dependence of polarization current in neoclassical tearing modes
磁岛在托卡马克等离子体中传播时产生的新经典极化电流被认为影响了新经典撕裂模演化的初始阶段。了解其在未来托卡马克（如ITER）的相关等离子体碰撞频率制度中的贡献强度对于成功控制和/或避免新古典撕裂模式至关重要。一个非线性漂移动力学理论，以确定完整的碰撞频率依赖的新古典极化电流在小岛的限制，可比的被困离子轨道宽度。专注于远离岛屿分界线（其中存在一个复杂的混合物理过程的层）的区域，我们第一次评估的新古典离子极化电流的变化之间的过渡制度的分析听话的碰撞和碰撞限制。此外，岛的传播频率依赖的新经典极化电流及其对岛的演变的贡献被揭示。对于一系列的传播频率，我们发现，新古典极化电流是一个最大的中间碰撞频率制度在这里分析-一个新的和意想不到的结果。
2012-03-05 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulation of the spontaneous toroidal rotation of plasma in a stochastic magnetic field
本文通过动理学模拟研究了随机磁场中等离子体的自发环向旋转，发现共振磁扰动通过双极径向电场驱动旋转，且碰撞效应在几次离子-离子碰撞时间后将其从回流转变为刚体流动，解释了DIII-D实验观测。
2024-06-02 physics.plasm-ph
Numerical validation of the electromagnetic gyrokinetic code NEMORB on global axisymmetric modes
这是一份关于用陀螺动力学程序NEMORB与解析理论和其他程序对全局模式（即低极向模式数）进行无碰撞模拟的比较报告。仅考虑轴对称模式，即环形模式数n=0，以及平坦的平衡剖面。对当地的分析理论进行基准的GAM。在高能离子的存在下，NEMORB的本地基准进行半拉格朗日陀螺动力学代码GYSELA。在很低的β下，比较了绝热模型、俘获动力学模型和完全动力学模型以及静电模型和电磁模型。Alfven模式的缩放也被提出。
2013-12-04 physics.plasm-ph
Electrostatic potential variations on stellarator magnetic surfaces in low collisionality regimes
新古典静电势的分量在磁表面上是不恒定的，我们用$\tildeφ$表示，它可以影响高电荷杂质的径向输运，这促使它被包含在一些现代新古典代码中。计算$\tildeφ$的新古典模拟的数量仍然很少，部分原因是它们通常要求计算资源，特别是在低碰撞性下。本文解析地导出了接近全向星的仿星器在$1/ν$、$\sqrtν$和超香蕉坪区的尺寸、与碰撞度和纵横比的标度以及磁表面上的$\tildeφ$结构。e.仿星器已经被优化用于新古典运输。发现新古典方程所允许的最大$\tildeφ$与纵横比的倒数和与全向度的偏差的大小成线性关系。利用一个扰动的全相位形模型，用KNOSOS程序的计算结果验证和说明了分析结果。本文所采用的方法、结果和数值工具可应用于具有破缺轴对称的托卡马克中的新经典输运问题。
2018-08-21 physics.plasm-ph
Flux-driven integrated modelling of main ion pressure and trace tungsten transport in ASDEX Upgrade
托卡马克堆芯等离子体中重杂质的新经典输运和湍流输运由主离子温度、密度和环向旋转分布决定。因此，为了理解和防止W积累的实验行为，通量驱动的集成建模的主离子热和粒子传输在多个约束时间是一个重要的先决条件。第一次，准线性gyrokinetic代码ZH-LiKiz已被应用于成功预测的核心动力学剖面在ASDEX升级H模式放电的湍流为主的区域内的综合建模套件JETTO。新古典贡献计算NCLASS;辅助热和粒子沉积配置文件由于NBI和ECRH规定从以前的分析与TRANSP。湍流和新古典的贡献是不够的，在解释主离子热量和粒子运输内的$q=1$表面，需要处方进一步的运输系数，以模仿中央运输的MHD活动的影响。在$ρ_\mathrm{tor} = 0.85$处的模拟边界处的离子与电子温度比在显著超过1时稳定离子尺度模式，同时不稳定ETG模式。使用高斯过程回归技术的实验测量进行仔细分析，以探索合理的不确定性。在以下微量W杂质输运模拟进行额外的近地天体，新古典运输下考虑极向不对称单独被发现是不足以建立中空的中心W密度分布。只有当假设饱和$(m,n)=(1,1)$ MHD模式对重杂质输运的直接影响时，才有可能重现实验测量的这些条件。
2020-02-03 physics.plasm-ph
An extended hybrid magnetohydrodynamics gyrokinetic model for numerical simulation of shear Alfvén waves in burning plasmas
采用广义鱼骨色散关系的理论框架，扩展的混合磁流体动力学陀螺动力学模拟模型已被推导出解析考虑热离子的可压缩性和抗磁效应，除了高能粒子的动力学行为。扩展模型已被用于实现扩展版本的混合磁流体动力学回旋动力学代码（XHMGC），以研究热离子动力学效应的高能粒子驱动的Alfvénic模式，如动力学β诱导的Alfvén本征模在托卡马克聚变等离子体。
2010-12-24 physics.plasm-ph
Polarization and magnetization in collisional and turbulent transport processes
导出了磁约束等离子体中的极化和磁化的表达式，其中包括在回旋半径中的完全展开，以处理平衡和微观电磁湍流的影响。利用得到的表达式，密度和流量的颗粒相关的陀螺中心。在归一化回转半径展开的第一阶中，颗粒流的平均部分由回转中心流和磁化流之和给出，这对应于漂移动力学中所谓的磁化定律，而湍流部分也包含极化流。碰撞对二阶粒子流有额外的贡献。磁表面的平均粒子通量是二阶的，它包含了经典、新经典和湍流输运过程。利用拉格朗日变分原理导出了适当地包含平均和湍流部分的陀螺运动泊松方程和安培方程，以便用于全$f$全球电磁陀螺运动模拟。研究发现，为了使导出的安培方程正确地包含反磁流，在全$f$高β等离子体模拟中，必须保留由湍流矢量势与曲率漂移和$\nabla B$漂移组成的漂移速度的内积所给出的二阶拉格朗日项.这些陀螺动力泊松方程和安培方程的湍流部分被证实同意从WKB表示在早期的作品中导出的结果。
2022-05-19 physics.plasm-ph
Cross-code gyrokinetic verification and benchmark on the linear collisionless dynamics of the geodesic acoustic mode
通过解析理论和回旋动力学数值模拟的比较，研究了托卡马克中测地声学模（GAM）的线性特性。被认为是依赖于安全因子的值，有限轨道宽度的离子的径向模式宽度，磁通量表面成形，和电子/离子质量比。等离子体分布的不均匀性（如密度，温度或安全系数），电磁效应，碰撞和少数物种的存在被忽略。此外，只考虑线性模拟，专注于本地动态。我们使用三种不同的gyrokinetic代码：拉格朗日（细胞中的粒子）代码ORB 5，欧拉代码GENE和半拉格朗日代码GYSELA。本文的主要目的之一是提供一个详细的比较的数值结果和分析理论，在制度，这是可能的。这有助于更好地理解线性GAM动力学在这些不同制度的行为，行为的代码，这是至关重要的，在未来的工作中，更多的物理是目前，和制度的有效性，每个特定的分析色散关系。
2017-05-18 physics.plasm-ph
Angular momentum transport modeling: achievements of a gyrokinetic quasi-linear approach
LiKiz，一个模型的基础上的本地gyrokinetic特征值求解器扩展到包括动量通量建模除了热和粒子通量。准确的动量通量的预测是必不可少的，平行不对称的本征函数成功地恢复了分析流体模型。这是测试对自洽的gyrokinetic计算，并允许正确的预测ExB剪切的影响饱和的潜在振幅的混合长度规则的装置。因此，ExB剪切的效果在包括诱导的残余应力的所有传输通道上恢复。包括这些补充，LiKiz仍然比非线性陀螺动力学代码快约10000，允许与实验进行比较，而无需诉诸高性能计算。给出了NBI调制实验中动量箍缩计算的实例。
2014-01-10 physics.plasm-ph
Local and global Fokker-Planck neoclassical calculations showing flow and bootstrap current modification in a pedestal
在输运势垒中，特别是H模边缘势垒中，径向尺度长度可以与离子轨道宽度相当，导致新古典物理学变得径向非局域。在这项工作中，由此产生的变化，新古典流和电流的分析和数值研究。陡峭的密度梯度被认为是与极向离子gyroradius，连同强大的径向电场足以静电约束的离子的尺度长度。注意力仅限于相对较弱的离子温度梯度（但允许任意的电子温度梯度），因为在这种限制下，Δ f（从麦克斯韦分布的小偏差），而不是全f方法是合理的。这一假设实际上是一致的测量间ELM H模式边缘基座密度和离子温度分布在许多目前的实验中，预计将越来越有效，在未来的低碰撞实验。在数值分析中，分布函数和Rosenbluth潜力同时解决，允许使用精确的场项的线性化Fokker-Planck碰撞算子。在基座中，平行和极向流被发现强烈偏离最好的传统新古典预测，与当地理论不同的形式的大极向变化。这些预测的效果可以通过实验观察到。在局部极限下，Sauter自举电流公式在低碰撞度下是准确的，但在平台区附近，它们会高估自举电流。在基座排序，离子的自举和Pfirsch-Schluter电流的贡献也被修改。
2012-10-02 physics.plasm-ph
A Gyrokinetic Simulation Model for Low Frequency Electromagnetic Fluctuations in Magnetized Plasmas
本文提出了一个新的模型，用于模拟在一般磁位形中等离子体中频率远低于离子回旋频率的电磁涨落。这个新的模型（称为GK-E&B）采用非线性陀螺方程制定的电磁场以及动量平衡方程求解领域。因此，它不仅包括动力学效应，如波粒相互作用和微观（离子拉莫尔半径尺度）物理;而且在计算上比传统的公式描述的潜力更有效。作为一个基准，我们进行线性以及非线性模拟的动力学阿尔芬波，演示物理与分析理论。
2020-11-18 physics.plasm-ph
Geometry effects on zonal flow dynamics and turbulent transport in optimized stellarators
全局回旋动理学模拟发现，在为新经典输运优化的仿星器中，带状流对ITG湍流有强烈抑制；得益于更高的线性残余水平和更低的非线性频率，QH和QI仿星器的输运降低远大于QA和托卡马克，其输运水平和能量约束时间与托卡马克相似。
2025-05-28 physics.plasm-ph
Modification of ion-temperature-gradient turbulence by impurities in stellarator plasmas
CIEMAT（西班牙能源、交通和移动部下属中央研究技术中心）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
该研究解析推导了仿星器等离子体中杂质对离子温度梯度增长率的修正表达式，经线性模拟验证其标度与作用条件预测准确，且该表达式与非线性模拟的湍流热通量修正结果显著相关。
2025-10-22 physics.plasm-ph
Fast and accurate calculation of the bootstrap current and radial neoclassical transport in low collisionality stellarator plasmas
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）
该论文提出一种基于Legendre多项式和块三对角算法快速准确求解低碰撞度单能漂移动力学方程的方法，开发了新经典代码MONKES，可高效计算仿星器自举电流与单能输运系数，适用于仿星器优化与预测输运。
2025-10-31 physics.plasm-ph
Poloidal tilting symmetry of high order tokamak flux surface shaping in gyrokinetics
解析地证明了局域非线性$δf$陀螺动力学模型的极向倾斜对称性，并进行了数值验证。这种对称性表明，极向旋转的所有通量表面整形效果与大极向模式数由一个单一的倾斜角有一个指数小的影响托卡马克的输运性质。这是使用米勒局部平衡模型的推广，指定一个任意的通量表面的几何形状。在此几何条件下，我们发现，当在大通量表面整形模式数下进行扩展时，陀螺动力学的控制方程在高阶整形效应的极向倾斜上是对称的。这使我们能够从一个单一的配置，并计算在任何配置，可以通过倾斜的大模式数整形效果产生的通量。这就造成了具有镜像对称通量表面的托卡马克和没有镜像对称的托卡马克之间的区别，预计这将对使用上下不对称产生环向旋转产生重要影响。
2016-02-29 physics.plasm-ph
Kinetic modeling of neutral transport for a continuum gyrokinetic code
我们提出了第一个的耦合的连续全f gyrokinetic湍流模型与6D连续模型的动力中性，进行使用Gkeyll代码。我们的目标是提高第一性原理的理解中性粒子在等离子体燃料，分离，以及它们与边缘等离子体轮廓和湍流统计的相互作用的作用。我们的模型只包括原子氢，并结合了电子碰撞电离，电荷交换和壁回收。这些功能已经成功地验证了分析预测和基准与DEGAS2蒙特卡罗中性代码。我们进行了模拟的刮削层（SOL）与简化的几何形状和NSTX参数。我们将这些结果与没有中性点的基线模拟进行比较，发现中性相互作用降低了标准化密度波动水平以及相关的偏度和峰度，同时增加了自相关时间。还观察到更平坦的密度分布，类似于在高加燃料的实验场景中的SOL密度肩部形成。
2022-04-06 physics.plasm-ph
From charge motion in general magnetic fields to the non perturbative gyrokinetic equation
一般磁场中非相对论性电荷运动的精确解析描述显然是一个简单的问题，但迄今为止，除极少数情况外，还没有得到解决。本推导的主要特点是采用非微扰磁场描述来寻找新的运动解。在所有的解中，有两个解是特别重要的：引导粒子解和回旋粒子解。引导粒子的特征在于最小程度地耦合到磁场，陀螺粒子被定义为最大程度地耦合到磁场，并且还在闭合轨道上移动。一般的带电粒子的运动被表示为这样的特定的解决方案的总和。这种非微扰方法对应于在现代陀螺中心变换的所有阶次处获得的陀螺中心和/或引导中心参考系中的粒子运动的描述。用所描述的精确导引中心坐标分析玻尔兹曼方程。得到的陀螺动力学方程求解玻尔兹曼方程在边际稳定性条件。
2015-01-18 physics.plasm-ph
An analytical form of the dispersion function for local linear gyrokinetics in a curved magnetic field
本文推导弯曲非均匀磁场下线性回旋动力学速度空间积分的解析闭式解，用等离子体色散函数表达，并通过极限检验、数值对比及ITG不稳定性示例验证其有效性。
2023-01-16 math-ph math.MP physics.plasm-ph
ORB5: a global electromagnetic gyrokinetic code using the PIC approach in toroidal geometry
本文介绍了全球陀螺动力学代码ORB 5的当前状态，作为对以前参考文献[Jolliet等人，Comp. Phys. Commun. 177 409（2007）]。ORB 5代码使用PIC方案求解电磁Vlasov-Maxwell方程组，还包括碰撞和强流。该代码假设多个回旋离子物种在所有波长的极化密度和漂移动力学电子。可以为电子选择物理模型的变体，例如假设绝热响应或"混合“模型，其中假设通过的电子是绝热的，而捕获的电子是漂移动力学的。傅立叶滤波器以及各种控制变量和降噪技术使仿真能够以有限的数值成本获得良好的信噪比。他们完成了不同的动量和纬向流守恒热源允许温度梯度和通量驱动的模拟。该代码在CPU和GPU上运行，与其他类似代码和分析预测进行了很好的基准测试，并显示出良好的可扩展性，可扩展到数千个节点。
2019-05-06 physics.plasm-ph
New velocity-space discretization for continuum kinetic calculations and Fokker-Planck collisions
描述了连续介质动力学计算中速度空间离散化的数值方法。本文提出了一种有效的谱配置法，用于速度坐标系（速度空间中的半径），并采用了一组新的非经典正交多项式。对于其中包含Fokker-Planck碰撞（等离子体物理中的常见情况）的问题，详细说明了准确有效地处理碰撞算子中的场项的过程（在没有陀螺运动修正的情况下）。当物种与不同的质量同时包括在内，罗森布鲁斯潜力进行仔细的外推。在托卡马克中的自举电流和等离子体流的新经典计算的技术证明。
2013-02-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Simulation of ion temperature gradient driven modes with 6D kinetic Vlasov code
本文利用优化的6D动力学Vlasov半拉格朗日求解器模拟离子温度梯度模式，超越回旋动力学限制，首次展示完整垂直能量通量及非线性饱和阶段的高频波激发。
2024-02-09 physics.plasm-ph
Gyrokinetic analysis and simulation of pedestals, to identify the culprits for energy losses using fingerprints
托卡马克装置中的聚变性能关键取决于边缘输运势垒（ETB）抑制能量损失的有效性。指纹的新概念被引入到识别的不稳定性，导致运输损失的ETB的许多今天的实验，从广泛假设的候选人。分析的回旋-麦克斯韦方程组，和实验的回旋模拟，发现每种模式类型产生的各种渠道的传输特性比：密度，热量和杂质。这与某些通道中传输的实验观察或通道驱动源的相对大小一起，可以识别或确定导致能量传输的主导模式。在多个ELMy H模式的情况下，检查，这些指纹表明，MHD类模式显然不是能量传输的主导因素;相反，这个角色是由微撕裂模式（MTM）和电子温度梯度（ETG）模式，此外，可能离子温度梯度（ITG）/陷阱电子模式（ITG/TEM）JET。类MHD模式可能主导电子粒子损失。波动频率也可以是一种重要的识别手段，而且往往与运输指纹密切相关。分析论点统一并解释了以前在多个设备上的不同实验观察，包括DIII-D，JET和ASDEX-U，并且两个DIII-D ETB的详细模拟也证明并证实了这一点。
2019-03-24 physics.plasm-ph
Development of Advanced Linearized Gyrokinetic Collision Operators Using a Moment Approach
推导了一个线性化的回旋运动库仑碰撞算符（Jorge R。例如，J. Plasma Phys.85，905850604（2019））和广泛使用的线性化GK Sugama碰撞算子（Sugama H.例如，等离子体16，112503（2009））。一种基于厄米-拉盖尔矩展开的扰动gyrocenter分布函数的方法被使用，称为陀螺矩展开。这种方法允许考虑任意的垂直波数和表示的两个线性GK运营商的陀螺力矩的线性组合，其中的膨胀系数由封闭的解析表达式，取决于垂直波数和碰撞物种的温度和质量比。还得到了GK线性化的Coulomb算子和Sugama算子的漂移动力学（DK）极限。陀螺力矩的方法与GK连续体代码GENE之间的比较报告集中在离子温度梯度（ITG）的不稳定性和纬向流（ZF）阻尼，找到一个很好的协议。特别是，我们证明了GK线性Sugama产生更强的碰撞阻尼的ZF残留相比，GK线性库仑。最后，我们表明，陀螺力矩方法的数值效率增加与碰撞，边界等离子体应用程序所需的属性。
2022-02-13 physics.plasm-ph
Using the local gyrokinetic code, GS2, to investigate global ITG modes in tokamaks. (I) s-$α$ model with profile and flow shear effects
本文结合本地gyrokinetic代码与分析理论的结果重建的线性不稳定的离子温度梯度（ITG）模式与绝热电子的全球本征模结构。本文采用s-$α$托卡马克平衡模型进行模拟.使用GS 2在径向表面x的范围内进行了局部回转动力学计算，并且对于在范围- $π {\leq} p {\leqπ}$内的气球状相位角p，绘制出复局部模式频率${Ω_0(x, p) = ω_0(x, p) + iγ_0(x, p)}$。假设驱动器的二次径向轮廓，即${η_i = L_n/L_T}$（保持所有其它平衡轮廓例如安全系数、磁剪切等恒定），${Ω_0(x, p)}$有一个稳定点。重建的全局模式位于托卡马克等离子体的外侧中平面上，并且被称为常规或孤立模式，具有全局增长率$γ$ ~ Max[ ${γ_0(x, p)}$ ]，其中${γ_0(x, p)}$是局部增长率。考虑到其他平衡剖面中的径向变化（例如安全系数q（x）），消除了${Ω_0(x, p)}$中的稳定点，并导致峰值略微远离外侧中平面的模式，同时降低了全局增长率。最后，还通过多普勒频移（${ω_0 \rightarrow ω_0 + nΩ^{\prime}x}$）研究了流动剪切的影响，其中n是环形模数，${Ω^{\prime}}$包含了流动剪切的影响。平衡剖面的变化介绍了一个不对称的增长率谱相对于${Ω^{\prime}}$的符号，与最近的全球gyrok…
2014-08-04 physics.plasm-ph
Statistical description of turbulent transport for flux driven toroidal plasmas
提出了一种新的方法来分析全球全f陀螺动力学模拟中间歇性湍流输运的非高斯概率分布函数（PDF）。在这项工作中，自回归积分移动平均（ARIMA）模型应用于间歇性湍流热传输的时间序列数据，以分离噪声和振荡趋势，允许提取的PDF的非高斯特征。结果表明，非高斯尾巴的PDF从第一原理为基础的陀螺动力学模拟同意的分析估计的基础上的两个流体模型。
2017-06-09 physics.plasm-ph
gyaradax: Local Gyrokinetics JAX Code
Institute for Machine Learning, JKU Linz（林茨约翰·开普勒大学机器学习研究所）；EMMI AI（EMMI 人工智能）
gyaradax是用于局部回旋动力学的JAX/CUDA求解器，结合GPU加速和自动微分，验证了与GKW的正式一致性和统计一致性，同时实现了显著加速，展示了编码代理在复杂Fortran代码转换中的高效性。
2026-04-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Impact of magnetic islands on plasma flow and turbulence in W7-X
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
研究了磁岛对W7-X中等离子体流动和湍流的影响，发现磁岛边界对流动贡献最大，O点附近流动贡献接近于零，同时O点附近密度波动降低。
2025-12-17 physics.plasm-ph
Total Fluid Pressure Imbalance in the Scrape-Off Layer of Tokamak Plasmas
采用完全动力学的新经典程序XGCa进行模拟，以探讨动力学效应对DIII-D H模等离子体中的刮除层（SOL）物理的影响。XGCa是一个全f，gyrokinetic代码，自洽地计算轴对称静电势和等离子体动力学，并包括蒙特卡罗中性输运模块。先前提出的XGCa结果显示了几个值得注意的特征，包括SOL中沿场线的离子密度和压力的大变化、SOL平行离子流的实验相关水平（马赫数~0.5）、鞘入口附近导致亚音速流的偏斜离子分布以及鞘电位升高[R.M.丘吉尔，核母线。能源，已提交）。在本文中，我们详细探讨了SOL中的压力平衡问题，因为在模拟中观察到，简单的总压力平衡（离子和电子静压加离子惯性的总和）存在很大的偏差。它将被证明，从离子粘度（驱动离子温度各向异性）和中性源项的贡献可以是相当大的，并应保留在SOL中的并行动量方程，但仍然没有占到所观察到的流体压力不平衡的XGCa模拟结果。
2017-01-19 physics.plasm-ph
Bootstrap Current Modeling in M3D-C1
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Thea Energy（Thea能源公司）；University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究在扩展MHD代码M3D-C1中实现自举电流的自洽物理模型，采用两种解析框架并结合同构性应用于准对称仿星器，经基准测试验证准确性，同时提出评估新经典输运的工作流程，提升了磁约束等离子体平衡模拟的精度。
2025-07-07 physics.plasm-ph
Inference of Experimental Radial Impurity Transport on Alcator C-Mod: Bayesian Parameter Estimation and Model Selection
我们提出了一个完全贝叶斯方法的推断杂质输运系数的径向配置文件，并将其结果与新古典，gyrofluid和gyrokinetic建模。使用嵌套抽样，贝叶斯杂质传输推断（BITE）框架可以处理复杂的参数空间与多种可能的解决方案，提供了很大的优势，解释能力和可靠性方面的先前证明的方法。BITE采用基于pySTRAHL软件包的正向模型，该模型建立在著名的STRAHL代码[Dux，IPP Report，2004]的成功基础上，用于模拟磁约束等离子体中的杂质输运。在本文中，我们专注于钙（Ca，Z=20）激光吹离注入到Alcator C-Mod等离子体。通过高分辨率X射线成像晶体光谱学和真空紫外测量诊断多个Ca原子线。我们分析了锯齿形的I-模式放电，新古典和湍流（准线性和非线性）的预测也得到。我们发现在整个径向范围内的扩散很好的协议，而湍流对流和密度分布峰值估计在实验中比理论建议的更大。与实验基座杂质输运的推断相关的努力和挑战进行了讨论。
2020-07-27 physics.app-ph physics.comp-ph physics.data-an
