Scrape-Off Layer Turbulence in Tokamaks Simulated with a Continuum Gyrokinetic Code
我们正在开发一个新的连续体gyrokinetic代码，Gkeyll，用于边缘等离子体模拟，并在这里提出了初始模拟模型鞘边界条件的开放场线上的湍流。该代码实现了一个能量守恒间断Galerkin计划，适用于一般类的哈密顿方程。已经完成了几个应用程序的测试问题，包括计算的平行热通量偏滤器板上产生的ELM坠毁在喷气发动机，为1x/1v SOL的情况下探索以前，ELM被建模为一个时间依赖性的强烈的上游源。在这里，我们提出了初步的模拟湍流开放场线在LAPD线性等离子体装置。我们还做了模拟在螺旋开场线几何。虽然目前已经进行了各种简化，但这仍然包括SOL湍流的一些关键物理，例如不稳定性的不良曲率驱动和鞘边界条件的快速平行损失。这对于证明这种方法的整体可行性以及对SOL湍流的初步物理研究非常有用。我们开发了一种新版本的DG，使用麦克斯韦加权基函数，同时仍然保持精确的粒子和能量守恒。麦克斯韦加权DG方法实现了相同的误差，在1v中的计算成本降低了4倍，或者在陀螺动力学的2个速度维度中的成本降低了16倍（假设存储器带宽是限制因素）。
2016-10-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Linearized model Fokker-Planck collision operators for gyrokinetic simulations. I. Theory
一个新的解析和数值管理模型碰撞算子是专门为湍流模拟。类粒子碰撞算子包括俯仰角散射和能量扩散，并满足碰撞算子所需的物理约束：它保持粒子，动量和能量，遵守玻尔兹曼H定理（碰撞不能减少熵），麦克斯韦消失，并有效地消散速度空间中的小尺度结构。详细介绍了将碰撞算子转化为陀螺平均形式用于陀螺动力学模拟的过程。陀螺平均模型运营商示出在相空间中的小尺度比以前建议的模型有更合适的行为。本文还提出了一个电子-离子碰撞的模型算符。
2009-02-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Mitigation of Initial Transients in Total-f Gyrokinetic Turbulence Simulations Using Neoclassically Relaxed Distribution Function
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；ITER Organization（国际热核聚变实验堆组织）；Jubilee Development（Jubilee发展公司）
针对全 f 陀螺动力学模拟中初始瞬态问题，提出用新初始化方案，利用轴对称模拟的松弛粒子分布，经相空间平滑后用于全湍流模拟，应用于相关案例显著抑制瞬态、降噪声并减求解时间。
2026-10-01 physics.plasm-ph
A Unified Hamiltonian Formulation for Energy Loss, Entropy Evolution, and Fusion Performance in Plasmas
本文提出统一哈密顿量框架，将碰撞算符直接纳入回旋动理学，建立湍流、熵产生与聚变性能之间的定量关系，连接微观动力学与反应堆尺度性能。
2025-07-07 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Non-local gyrokinetic model of linear ion-temperature-gradient modes
本文提出了保留非绝热电子的非局域线性离子温度梯度（ITG）漂移模理论，推广了[S。Moradi等人{ \em Phys. Plasmas} { \bf 18}，062106（2011）]。色散关系的推导来量化的分数速度运营商在福克-普朗克方程修改的温度梯度和非绝热电子上的实际频率和增长率的影响。解决色散关系，它是在这里示出的等离子体变得更加湍流，它偏离麦克斯韦分布，并成为Lévy分布。由此产生的等离子体的Lévy分布可以显著改变输运。分数阶导数对实频率的相对影响大于对ITG模增长率的相对影响。
2012-01-12 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Axisymmetric Gyrokinetic Simulation of ASDEX-Upgrade Scrape-off Layer Using a Conservative Implicit BGK Collision Operator
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
针对聚变等离子体高碰撞区动理学模拟显式积分时间步长受限、计算成本高的问题，在Gkeyll框架中实现守恒隐式BGK碰撞算子，实现ASDEX-Upgrade刮削层模拟56倍加速且结果与高精度LBD算子吻合。
2025-11-13 physics.plasm-ph
Comprehensive full-f drift-kinetic and delta-f gyrokinetic simulations of a linear plasma device based on the gyro-moment approach
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本文基于gyro-moment方法，首次在线性等离子体装置中进行全f漂移-动能和δ-f gyrokinetic湍流模拟，揭示了离子分布函数的DK部分近似为双Maxwellian，并发现GK场在低碰撞性下不影响DK场，湍流主要由Kelvin-Helmholz驱动。
2026-03-18 physics.comp-ph 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
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
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
2DESR: a two-dimensional Fourier-space gyrokinetic eigenvalue code for the ion-temperature-gradient modes in tokamaks
Department of Engineering and Applied Physics, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学工程与应用物理系）
2DESR是一种用于托卡马克中离子温差梯度模的二维gyrokinetic 特征值求解器，通过极向傅里叶空间求解，并在绝热电子测试中与GENE和NLT代码对比验证。
2026-02-07 physics.plasm-ph
Second order Gyrokinetic theory for Particle-In-Cell codes
陀螺动力学简化的主要思想是从等离子体动力学中系统地去除最快的运动尺度（陀螺运动），从而大大简化模型并节省计算时间。回旋Maxwell-Vlasov系统在强磁化等离子体的数值模拟中得到了广泛的应用。不同版本的简化方程组存在依赖于陀螺动力学简化过程的构造和推导时假设的近似。本文的目的是明确地显示一般的二阶gyrokinetic Maxwell-Vlasov系统发出的现代Gyrokinetic理论推导和目前实施的全球电磁粒子在细胞代码ORB 5的模型之间的连接。严格必要的信息，现代Gyrokinetic形式主义的Gyrokinetic麦克斯韦-Vlasov方程的动力学第一原理的一致推导。利用动力学的变分形式同时得到了相应的精确能量守恒定律。显式推导的结果用于验证目前在ORB 5代码中实现的节能诊断。这项工作订阅到代码验证项目VeriGyro目前运行在IPP马克斯普朗克研究所与其他欧洲机构合作的背景下。
2017-03-13 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of electric current generation in ion temperature gradient driven turbulence
在无碰撞极限下的陀螺动力学模拟展示了湍流驱动电流的物理机制和幅度。模拟结果显示了湍流驱动流的时空变化及其与雷诺应力和湍流加速度的关系。利用准中性方程的任意波长解，在有理曲面附近观察到湍流感应电流的精细结构（几个离子拉莫尔半径）。雷诺应力的发散在这些精细结构的产生中起着重要作用。所谓的“自发”电流的特点是在合理的表面附近具有大的局部幅度。
2021-10-27 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
Verification of the global gyrokinetic stellarator code XGC-S for linear ion temperature gradient driven modes
XGC（X-point Gyrokinetic Code）是一个全体积、全f Gyrokinetic Particle-in-Cell程序，用于托卡马克的建模。在最近的工作中，XGC已被扩展到更一般的三维环形磁配置，如仿星器模型。这些改进导致了XGC-S版本。在本文中，XGC-S的线性静电离子温度梯度驱动的微不稳定性，这可能是在仿星器湍流输运的基础为基准。XGC-S在托卡马克几何中的初始基准显示出与XGC 1，ORB 5和全球GENE代码的良好一致性。XGC-S和EUTERPE全球仿星器陀螺动力学代码之间的基准测试也已经完成，这次是在优化仿星器Wendelstein 7-X的几何结构中。已发现良好的协议的模式数谱，模式结构，和增长率。
2019-05-14 physics.plasm-ph
Comment on "Electromagnetic Global Gyrokinetic Simulation of Shear Alfven Wave Dynamics in Tokamak Plasmas" [Phys. Plasmas 14, 042503 (2007)]
这一评论澄清了最近发表的一篇文章[Phys.Plasmas 14，042503（2007）]中的研究与其他先前的出版物的关系，这些出版物解决了在回旋运动模拟中包含电磁和漂移动力学电子物理学，提出了与在具有磁剪切的系统中包含动力学电子有关的问题，并且讨论了在面对其中描述的算法的一般适用性的重要限制时的替代方案。
2007-10-26 physics.plasm-ph
Astrophysical gyrokinetics: Turbulence in pressure-anisotropic plasmas at ion scales and beyond
我们提出了一个理论框架来描述电磁动力学湍流在多物种，磁化，压力各向异性等离子体。假设湍流波动与平均场相比是小的，相对于平均场是空间各向异性的，并且与离子回旋频率相比具有小的频率。在离子拉莫尔半径以上的尺度上，该理论简化为Kunz等人（2015）制定的动力学简化磁流体力学（KRMHD）的压力各向异性概括。在离子拉莫尔半径和以下的尺度上，实现了三个主要目标。首先，我们分析的压力各向异性gyrokinetic系统的线性响应，并表明它是一个概括以前探索的限制。压力各向异性的影响的稳定性和碰撞阻尼的Alfvenic和压缩波动的突出，注意的频谱位置和宽度的频率跳跃发生的Alfven波过渡到动力学Alfven波。其次，我们推导并讨论了一个一般的自由能守恒定律，它既捕获了长波长的KRMHD自由能守恒，又捕获了亚离子拉莫尔尺度的动力学阿尔芬波和离子熵的双重级联。我们发现，非麦克斯韦功能的分布函数中的相混合量和磁应力的效率的变化，从而影响级联通道之间的自由能的分区。第三，一个简单的模型被用来表明，压力各向异性可以导致大的变化，由于阿尔芬湍流耗散的离子-电子加热比。我们的理论提供了一个基础，以确定如何压力各向异性影响的湍流波动谱，粒子种类的差分加热，以及空间和天体物理等离子体中的平行和垂直相混合的比例。
2018-03-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Dynamic Procedure for Filtered Gyrokinetic Simulations
为了减少计算量，对回旋等离子体湍流的大涡模拟进行了研究。一个动态的过程中实施的基因代码，允许动态优化的自由参数的LES模型（设置耗散项的振幅）。采用这样的LES方法，一个恢复自由能和热通量谱从高分辨率的直接数值模拟（DNS）。系统的比较进行不同的值的温度梯度和磁剪切，参数是最重要的离子温度梯度（ITG）驱动的湍流。此外，各向异性的问题，可以随参数变化的程度，可以适应动态的方法，显示陀螺大涡模拟（GyroLES）是一个严重的候选人，以减少数值成本的陀螺求解器。
2011-10-04 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of ASDEX Upgrade up to the transport time-scale with GENE-Tango
准确描述湍流的传输时间尺度是必不可少的预测核心等离子体的配置文件，并使可靠的计算设计先进的方案和未来的设备。在这里，我们利用湍流和运输时间尺度之间的间隙分离，并耦合全球gyrokinetic代码GENE的运输求解器探戈，包括动力学电子，碰撞，现实的几何形状，环形旋转和电磁效应的第一次。这种方法克服了陀螺动力学代码的局限性，并使高保真度的轮廓计算在实验相关的等离子体条件下，显着降低了计算成本。我们目前的数值计算结果的GENE-Tango两个ASDEX升级放电，其中之一表现出明显的峰化的离子温度分布没有重现TGLF-ASTRA。我们表明，GENE-Tango可以正确捕获实验中观察到的离子温度峰值。通过在GENE模拟中保留不同的物理效果，例如，碰撞，环向旋转和电磁效应，我们证明了离子温度分布的峰值是由于电磁效应的亚边缘MHD不稳定性。基于这些结果，预期的GENE-Tango加速的ITER标准方案是大于两个数量级相比，一个单一的gyrokinetic模拟运输时间尺度，可能使第一原理ITER模拟可行的当前计算资源。
2022-04-12 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
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part III. Generalized free energy
本文提出基于自由能推广的回转动理学理论扩展，恢复了共振效应并显著降低了增长界限，其最优增长率的高效计算有望应用于仿星器优化。
2023-09-15 physics.plasm-ph
From the orbit theory to a guiding center parametric distribution function
本文提出了一个参数平衡分布函数F_eq，用于轴对称托卡马克等离子体中几种粒子（聚变产物、热体和离子回旋辐射加热和负中性束注入的高能粒子）导引中心有限轨道宽度行为的回旋动力学研究。在分析了用一个特别方便的轨道坐标系所得到的轨道理论的基本结果之后，指出了所提出的F_eq如何满足使它成为平衡分布函数的两个条件：（i）它必须只依赖于运动常数和绝热不变量，（ii）导引中心必须保持适当长的时间限制。此外，F_eq可以被建模，通过适当地选择其参数，以再现最常见的分布函数。在零轨道宽度近似下，得到了热等离子体的局部麦克斯韦分布函数。对于熔合α粒子，F_eq也能再现慢化（SD）分布函数。更一般地，对于超热粒子，当存在外部加热时，例如（N）NBI和ICRH，所提出的模型分布函数显示出与各向异性SD和biMaxwell分布函数的相似性。F_eq可以用来拟合实验剖面，为实验和数值数据分析提供了有用的工具。此外，它还可有助于发展分析计算，以便根据理论模型对数据进行解释。这种分布函数可以很容易地实现在gyrokinetic代码，它可以用来模拟等离子体也存在外部热源。
2012-02-22 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
Gyrokinetic Continuum Simulation of Turbulence in Open-Field-Line Plasmas
托卡马克中边界等离子体的性质在决定聚变功率和等离子体元件寿命方面起着关键作用。准确的定量建模和提高定性的理解边界等离子体最终需要五维陀螺湍流模拟，这已经成功地预测湍流和运输的核心。边界等离子体模拟的额外挑战需要开发新的gyrokinetic代码或对现有核心gyrokinetic代码进行重大修改。在这篇论文中，我们开发了第一个能够模拟开放磁场线上等离子体湍流的回旋动力学连续体代码，这是托卡马克刮除层的一个关键特征。在这个问题上，我们使用一个能量守恒的不连续Galerkin离散空间中的尝试。为了模拟等离子体和壁之间的相互作用，我们设计了导电鞘边界条件，允许局部电流进出壁。首先，我们设计的空间一维动力学模型的并行SOL动态和解决这些系统使用新的连续算法。通过将这些算法推广到更高的维度，并添加一个碰撞模型，我们提出了两种类型的开放场线系统上的第一个gyrokinetic连续模拟湍流的结果。第一个模拟的特点是均匀和直的场线，如在一些线性等离子体设备中发现的。第二个模拟是一个假设的模型，我们开发的NSTX刮削层具有螺旋场线。这些发展包括一个重大的一步，对磁聚变装置的边界等离子体中的湍流和运输的定量预测的回旋动力学连续代码。
2017-08-24 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
Simulating background shear flow in local gyrokinetic simulations
局部陀螺动力学模拟求解具有均匀背景梯度的陀螺动力学方程，通常使用（x，y）平面（即垂直于场线）中的双周期域。空间傅立叶表示在局部陀螺动力学代码中几乎是通用的，并且在[Hammett et.例如，Bull Am Phys Soc VP 1 136，（2006）]作为一种简单的方法，用于在傅立叶表示中表达具有背景剪切流的局部陀螺动力学方程。虽然广泛应用，波矢重映射方法尚未正式证明收敛，并遭受已知的非物理性时，解决方案绘制在真实空间[福克斯等。等人PPCF 59，044008]。在这项工作中，我们使用板几何的解析解来证明，波矢重映射导致模式之间的不正确的涂抹非线性耦合。我们推导出一个正确的，相对简单的方法来解决本地gyrokinetics在傅立叶空间与背景剪切流，并比较这波矢重映方法。这使我们能够表明，在波矢重映射的错误可以被看作是一个不正确的舍入在波数空间中的非线性项。通过对非线性项进行微小修改，我们在GENE[25]代码中实现了校正的波矢重映射方案，并比较了标准非线性基准情况下原始和校正的波矢重映射的结果。某些物理现象受到原始重映射方案中的误差的影响，并且这些数值伪影不会随着系统大小的增加而减少：也就是说，原始波矢重映射方案不会收敛到正确的结果。
2019-01-15 physics.plasm-ph
Inertial-Range Kinetic Turbulence in Pressure-Anisotropic Astrophysical Plasmas
本文提出了一个无碰撞、多组分等离子体中低频电磁（漂移）动力学湍流的理论框架。结果概括了压力各向异性等离子体的简化磁流体动力学（RMHD）和动力学RMHD（Schekochihin等人，2009年），允许物种漂移-一种在太阳风中经常遇到的情况，并且可能在热稀释天体物理等离子体（例如，团内介质）中普遍存在。实现了两个主要目标。首先，在非麦克斯韦等离子体中，波动场之间的关系（例如，阿尔芬比）的阶数单位修正相比，更普遍认为麦克斯韦的情况下，因此，定量理论的发展，以支持定量测量，现在可能在太阳风。低频等离子体湍流的主要物理特征生存的概括非麦克斯韦分布：阿尔文和压缩波动大力解耦，后者被动平流前者;阿尔文级联是流体，满足RMHD方程（与阿尔文速度修改的压力各向异性和物种漂移），而压缩级联是动力学和受碰撞阻尼。其次，这种湍流的组织原则阐明的形式的广义动能自由能不变。结果表明，非麦克斯韦功能的分布函数中的相混合的速率和磁应力的功效降低，这些变化的影响之间的各种级联通道的自由能的分区。当接近水龙带或镜不稳定性阈值时，等离子体的动力学被修改，以减少弯曲磁场线或压缩/稀疏它们的能量成本。最后，它表明，这个理论可以推导出作为一个长波长限制的非麦克斯韦板条陀螺。
2015-06-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Machine learning methods for modelling local, linear gyrokinetic simulations of MAST-U pedestal turbulence
VTT Technical Research Centre of Finland（芬兰技术研究中心）；KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）；Institute for Fusion Studies, University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）；UK Atomic Energy Authority（英国原子能管理局）
本研究针对MAST-U台基湍流，开发机器学习替代模型以替代高成本的GENE局域线性gyrokinetic模拟，通过特定采样工作流降低数据维度，提升了台基建模的效率。
2026-08-27 physics.plasm-ph
The free energy balance equation applied to gyrokinetic instabilities, the effect of the charge flux constraint, and application to simplified kinetic models
本文推导了回旋动理学涨落的自由能平衡方程并应用于不稳定性研究，发现结合电荷通量约束可等价于色散关系，能有效防止不稳定本征模的出现，并展示了其在简化动理学模型中的应用。
2023-10-17 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
Gyrokinetic simulations of the tearing instability
线性陀螺动力学模拟涵盖碰撞-碰撞撕裂不稳定性的过渡制度。它示出的增长率缩放与碰撞同意以及由双流体理论预测的低等离子体β的情况下，离子动力学动力学可以忽略不计。电子波粒子相互作用（朗道阻尼），有限拉莫尔半径，和其他动力学效应无效的流体理论在无碰撞制度，其中一个一般的非多方状态方程的压力（温度）扰动应考虑。我们还改变了背景离子的比例，电子温度，并表明，从现有的计算预期的缩放可以恢复，但只有在非常低的β的限制。
2011-07-28 physics.plasm-ph
Gyrokinetic studies of core turbulence features in ASDEX Upgrade H-mode plasmas
陀螺动力学验证研究是至关重要的发展信心的模型纳入数值模拟，从而提高其预测能力。作为这个方向的一步，我们模拟ASDEX升级与GENE代码放电，并分析各种波动量，并将它们与实验测量值进行比较。采取的办法如下。首先，进行线性模拟，以确定湍流状态。其次，在非线性模拟的热通量匹配实验通量通过改变对数离子温度梯度内预期的实验误差酒吧。最后，详细分析了各参量与离子温度梯度的关系。它被发现，密度和温度的波动可以显着变化，在这个参数的微小变化，从而与实验比较非常敏感的实验配置文件中的不确定性。然而，交叉相位是更强大的，这表明他们是更好的观测陀螺动力学模拟和实验测量之间的比较。
2015-01-21 physics.plasm-ph
Gyrokinetic studies of the effect of beta on drift-wave stability in NCSX
利用GS 2程序研究了等离子体β对国家紧凑型仿星器实验（NCSX）中线性、无碰撞离子温度梯度（ITG）模和电子俘获模（TEM）的影响。等离子体β以两种方式影响稳定性：通过平衡和通过磁波动。第一个在这里进行了研究，通过比较ITG和TEM的稳定性在两个NCSX平衡不同的β值，揭示了高β平衡略高于低β平衡的绝热电子ITG模式的情况下更稳定。然而，高β的情况下有一个较低的动力学电子ITG模式的临界梯度。静电和电磁ITG和TEM模式生长速率对温度梯度和密度梯度的依赖性在定性上是相似的。第二种β效应通过电磁ITG生长速率对GS 2 β输入参数的依赖性来证明。文中还介绍了一个陀螺动力学代码GENE和GKV-X的线性基准测试程序。
2012-10-22 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of ITG turbulence in the configuration space of the Wendelstein 7-X stellarator
本研究针对Wendelstein 7-X仿星器不同磁位形的湍流输运问题，采用GENE-3D代码开展全局回旋动理学模拟，对比三种位形的ITG湍流输运特性，并验证了全局非线性模拟在定量预测湍流通量方面的必要性。
2020-05-04 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of neoclassical electron transport and bootstrap current generation in tokamak plasmas in the TRIMEG code
本研究在基于三角形网格的回旋动理学程序TRIMEG中实现简化洛伦兹碰撞算符，推导非结构化网格下的通量面平均计算方法，验证了其计算电子输运与自举电流的能力，为后续自洽纳入新经典效应奠定基础。
2023-06-13 physics.plasm-ph
Nonlinear generation of global zonal structures in gyrokinetic simulations of TCV and ASDEX Upgrade magnetic configurations
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；De Vinci Higher Education, De Vinci Research Center（德芬奇高等教育，德芬奇研究中心）；Institute of Physics, University of Greifswald（格赖夫斯瓦尔德大学物理研究所）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss Plasma Center（洛桑联邦理工学院，瑞士等离子体中心）
本文通过gyrokinetic模拟研究了非线性生成全球环向结构在TCV和ASDEX Upgrade磁约束配置中的作用机制。
2026-03-09 physics.plasm-ph
Weibel instability beyond bi-Maxwellian anisotropy
各向异性的速度分布函数的形状，超出严格的麦克斯韦的领域可以发挥重要的作用，在确定的韦伯不稳定性的演变，支配自生磁场的动态。对于非麦克斯韦分布函数，我们表明，最大增长率波矢的方向与形状的变化。我们研究了不同的激光等离子体相互作用模型分布，这表明它们的韦伯产生的磁场可能需要更仔细的审查超出二阶矩（温度）各向异性比表征。
2021-09-07 physics.plasm-ph
Gyrokinetics investigations of an I-mode pedestal on Alcator C-Mod
由于I模基座不受MHD不稳定性的“限制”，因此I模对于ELMs是自然稳定的，并且宽度大于EPED的预测，因此I模是研究磁流体中漂移微不稳定性作用的极好实验室。本文基于Gyrokinetic模拟（使用GENE）对C-Mod中I模电子的涨落和热输运进行了模拟研究，发现C-Mod I模上观察到的弱相干模是静电离子温度梯度/杂质密度梯度（ITG/杂质）驱动模。ITG/杂质模式匹配频率和杂质限制时间上观察到的I-模式。非线性ETG模拟可以在实验误差范围内将实验热通量与轮廓调整很好地匹配。模拟，不同的杂质水平（Zeff）和温度和密度分布（实验误差范围内），用于探测波动和运输的敏感性。
2020-05-18 physics.plasm-ph
Core transport barriers induced by fast ions in global gyrokinetic GENE simulations
最近，在适当优化的ASDEX升级实验上，在最先进的全球陀螺动力学模拟中观察到了一种称为F-ATB（快离子诱导异常输运势垒）的新型内部输运势垒（ITB）[A. Di Siena等人，Phys. Rev. Lett. { \bf 127} 025002（2021）]。与文献中先前报道的传输屏障不同，F-ATB的触发机制基本上是超热粒子（通过离子回旋共振加热（ICRH）产生）和离子尺度等离子体湍流之间的静电波-粒子共振相互作用。这种共振效应强烈地依赖于快离子温度和密度分布的特定形状。因此，为了进一步提高我们对这种传输势垒的理论理解，我们通过全球GENE模拟进行系统研究，探索F-ATB生成的参数空间和物理条件。特别强调的是通过扫描不同的高能粒子温度分布的传输势垒的宽度和其本地化。后者是不同的振幅，半宽度，和径向本地化的一个特设的高斯型高能粒子对数温度梯度分布。对于手头的参考参数，确定了快离子对数温度梯度的幅度中的阈值，以有效地触发输运势垒。
2021-10-18 physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory with polynomial transforms: a model for ions and electrons in maximal ordering
我们提出了一种新的推导的回旋运动场粒子拉格朗日的非碰撞离子-电子等离子体在磁场背景的强烈变化（最大排序）。我们的方法遵循两步还原过程，其中引导中心坐标变换之后是单粒子相空间中的陀螺中心坐标变换。第一次，这两个步骤都在一个独特的方法，基于近身份的坐标变换构造为多项式变换。这些都是定义良好的变换，由有限数量的项组成，这些项相对于生成函数是线性和代数的。推导是在一个完全无量纲的框架内进行的，基于磁聚变实验ASDEX升级和ITER的参数。我们的方法导致一个gyrokinetic的离子和电子的Vlasov-Maxwell模型，而不使用Lie微扰方法。结果发现，基于所采用的排序，曲率项，如陀螺仪项和Baños漂移出现在一阶的离子哈密顿量，而离子极化项只出现在二阶。相比之下，曲率项是缺席的一阶电子哈密顿，而不是磁颤振发挥作用。
2019-09-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations on zonal flow-turbulence spreading coupling
Seoul National University（首尔大学）；Korea Institute of Fusion Energy（韩国聚变能源研究所）
研究通过非线性gyrokinetic模拟揭示湍流扩散如何将zonal flow径向传播，扩展至线性稳定区域，并基于toroidal等离子体动量定理解释湍流驱动的涡旋输运与垂直动量生成的直接关系。
2026-04-22 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic stability of a high $β$ non-inductive spherical tokamak
球形托卡马克（ST）已被证明具有理想的性能，如实现高等离子体聚变发电厂？并且具有增加的垂直稳定性。为了了解高$β$ ST聚变反应堆概念设计中可能预期的约束特性，使用局部线性回转动力学分析了1GW ST等离子体平衡，以确定出现的微不稳定性类型。动力学气球模式（KBM）和微撕裂模式（MTM）被发现是占主导地位的不稳定性。确定这些线性模式的参数依赖性，并根据获得的见解，调整平衡以找到在$θ_0$ = 0：0时对所有微观不稳定性略微稳定的状态。这项工作确定了最重要的微观不稳定性，预计产生湍流输送高$β$ ST。这些模式的影响必须忠实地捕捉到基于第一原理的减少模型的异常运输，需要预测模拟。
2021-08-25 physics.plasm-ph
Global Gyrokinetic Simulations of Electromagnetic Turbulence in STEP
York Plasma Institute, University of York（约克等离子体研究所，约克大学）
本文通过GENE的长波δB∥求解器开展STEP的全局电磁gyrokinetic模拟，揭示有限β下电磁湍流非线性饱和特性，确立全局gyrokinetics捕捉类STEP等离子体动力学的能力。
2026-09-03 physics.plasm-ph
Simulation of FuZE axisymmetric stability using gyrokinetic and extended-MHD models
采用高阶有限体积程序COGENT对剪切流Z箍缩等离子体进行了轴对称（$m=0$）回旋动力学和扩展磁流体动力学模拟。本gyrokinetic模型解决了长波长限制的gyrokinetic方程的离子和电子物种耦合到静电陀螺泊松方程的静电势。电磁MHD模型考虑了旋粘压力张量、反磁电子和离子热通量以及广义欧姆定律的影响。这项工作的一个突出特点是等离子体密度和温度的径向分布取自引信实验，磁场分布作为MHD力平衡方程的解而获得。这种方法允许解决现实的等离子体参数，并提供对当前和计划的实验的见解。特别是，它表明，径向轮廓起着重要的作用，在稳定，作为嵌入式的引导中心（$E{\times} B$）漂移具有很强的径向剪切，这可以有助于Z-箍缩稳定，即使在没有流体流动剪切。引信等离子体参数的模拟结果表明，随着流动剪切的增加，线性增长率降低，但是，即使对于轴向流的大的径向变化（与阿尔文速度相当），也没有观察到线性状态的完全稳定。研究了引信等离子体的非线性稳定特性，发现在非线性区，轮廓展宽具有明显的稳定作用。
2020-11-05 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
Gyrokinetic GENE simulations of DIII-D near-edge L-mode plasmas
我们目前的陀螺动力学模拟的GENE代码解决的近边缘区域的L-模式等离子体在DIII-D托卡马克。在径向位置$ρ=0.80$，模拟与离子温度梯度增加$40\%$以上的标称值给出电子和离子的热通量，同时与实验一致。该梯度增加与$1.6 σ$水平下电荷交换色谱法（CER）测量的合并统计和系统不确定度$σ$一致。首次在近边缘采用真实的质量比和几何形状进行了多尺度模拟。这些多尺度模拟表明，通量匹配离子尺度模拟的高度不稳定的离子温度梯度（ITG）模式抑制电子尺度传输，使得离子尺度模拟在该位置是足够的。在径向位置$ρ=0.90$，非线性模拟显示了ITG和俘获电子模~（TEM）的混合态，这是线性模拟所没有预料到的。的非线性模拟再现总的实验热通量与列入$\mathbf{E} \times \mathbf{B}$剪切效应和增加的电子温度梯度的$\sim 23\%$。这种梯度的增加是兼容的组合统计和系统的不确定性的汤姆逊散射数据在$1.3 σ$水平。这些结果是一致的，与以前的研究结果，gyrokinetic模拟能够重现实验热通量通过改变输入参数接近他们的实验不确定性，推动验证前沿更接近边缘区域。
2019-10-28 physics.plasm-ph
Quasilinear particle transport from gyrokinetic instabilities in general magnetic geometry
在静电和无碰撞近似下，保持磁场的几何形状为任意的，计算了由回旋运动不稳定性引起的准线性粒子通量。特别地，电子和重杂质离子的通量研究的限制，前者移动得很快，后者缓慢，沿场相比，模式频率。得出的结论是如何这些物种的粒子通量取决于磁场的几何形状，模式结构和频率的不稳定性。在某些条件下，例如处处有利或不利的磁曲率和适度的温度梯度，有可能对磁通量作出一般性的陈述，而与不稳定性的细节无关。对于大多数粒子来说，在具有良好的反弹平均曲率的准等动力仿星器中，如果温度梯度不是太大，粒子通量总是向外的，这表明可能很难用从壁面喷出的气体为这种设备提供燃料。在具有主要不利的磁曲率的设备中，粒子通量可以向内，导致等离子体中心的自发密度峰值。在高电荷杂质的限制下，普通扩散（与密度梯度成比例）在其他传输通道上占主导地位，扩散系数变得与质量和电荷无关。由离子温度梯度不稳定性引起的磁场波动所造成的运输水平的估计也给出，并示出是小的静电分量相比。
2018-05-25 physics.plasm-ph
Gyrokinetic treatment of a grazing angle magnetic field
我们开发了一个回旋治疗离子在磁预鞘，靠近等离子体壁边界。我们重点关注具有小磁场与壁角$α\ll 1$（弧度）的磁性预护套。垂直于壁的特征长度，在这样的磁预鞘尺度与典型的离子拉莫尔轨道大小，$ρ_{\text{i}}$。与平行于壁的变化相关联的最小标度长度被取为穿过磁场，并且被排序为$l = ρ_{\text{i}} / δ$，其中假定为$ δ\ll 1$。假设沿磁场线的刻度长度很长，因此忽略了与该方向相关的变化。这些排序与我们在托卡马克偏滤器靶附近的预期一致。我们允许电场$\vec{E}$在垂直于电子排斥壁的方向上的强分量，在相同方向上具有强变化。电场在离子拉莫尔半径上的巨大变化使轨道扭曲，使其不是圆形的。我们解决了最低阶轨道通过识别坐标，其中包括积分常数，绝热不变量和陀螺相位，与周期性离子运动的系统与$α= δ= 0$。在极限$α\sim δ\ll 1$中，以这些新坐标为变量，得到了广义离子回旋动力学方程。我们发现另一个量，是保守的一阶，并使用此来简化的gyrokinetic方程，解决它的情况下，一个碰撞磁预鞘。假设玻尔兹曼响应的电子，一种形式的准中性方程，利用变量的变化而得。在给定入口边界条件的情况下，回旋运动方程和准中性方程给出了磁预鞘中离子的分布函数和静电势。
2017-01-16 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of the effects of magnetic islands on microturbulence in KSTAR
该研究通过回旋动理学模拟揭示 KSTAR 中磁岛增强 ITG 湍流粒子与热输运的机制，并在频谱和波矢谱上与实验定量吻合。
2025-01-08 physics.plasm-ph
A High-order piecewise field-aligned triangular finite element method for electromagnetic gyrokinetic particle simulations of tokamak plasmas with open field lines
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Max Planck Computing and Data Facility（马克斯·普朗克计算与数据设施）
本文提出一种高阶分段场对齐三角有限元方法，用于高效模拟托卡马克等离子体中的电磁旋磁粒子-网格问题。
2026-02-03 physics.plasm-ph
A Learned Closure Method Applied to Phase Mixing in a Turbulent Gradient-Driven Gyrokinetic System in Simple Geometry
我们提出了一种新的方法，制定关闭，从动力学模拟数据学习。我们应用这种方法在一个简单的回旋湍流系统的相混合-温度梯度驱动的湍流在一个未剪切板。封闭，称为学习多模式（LMM）封闭，构造，首先，提取一个最佳的基础，从一个非线性动力学模拟，使用奇异值分解（SVD）。随后的非线性流体模拟投影到这个基础上，并使用结果来制定关闭。我们比较封闭与其他封闭计划在广泛的相关二维参数空间（碰撞和梯度驱动）。我们发现，湍流动力学系统产生的相混合速率远低于线性预期，LMM封闭是能够捕获。我们还比较了径向热通量。一个Hammett-Perkins封闭，推广到包括碰撞效应，在整个参数空间是相当成功的，产生~14%的均方根（RMS）误差。LMM闭包也非常有效：当在三（两）点（在35点参数网格中）训练时，LMM闭包产生9%（12%）RMS误差。LMM过程可以很容易地推广到其他闭包问题。
2021-10-06 physics.plasm-ph
Pedestal and edge turbulence characteristics from an XGC1 gyrokinetic simulation
为了可靠地预测未来聚变装置的性能，需要了解边缘区域（基座+刮削层）的多尺度新古典和湍流物理。我们探讨在边缘区域的湍流特性，从多尺度新古典和湍流XGC 1 gyrokinetic模拟在DIII-D等托卡马克的几何形状，在这里不包括中性粒子和碰撞。对于具有陡峭基座的H模等离子体，电子密度起伏在分界线附近逐渐增大，并在SOL附近保持较高的水平，达到最大值$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
A non-twisting flux tube for local gyrokinetic simulations
局部回旋动力学模拟使用的磁场对齐域，由于扭曲的背景磁平衡的磁剪切。然而，如果磁剪切很强和/或磁畴很长，扭曲可能变得如此极端，以至于无法正确解决湍流。在这项工作中，我们推导并实现了“非扭曲通量管”，一个本地的模拟域，保持矩形在所有平行的位置。收敛性和运行时间测试表明，该方法比传统的流量管能更有效地计算热流密度。对于一个测试用例，它的计算成本低30倍，我们没有发现它更昂贵的情况。当磁剪切高并且域包括至少两个湍流驱动区域（例如仿星器模拟、基座模拟、具有若干极向匝的托卡马克模拟）时，这是最有利的。此外，当磁剪切较大时，它可以更准确地模拟内侧中平面。最后，我们展示了如何非扭曲磁通管可以推广到允许进一步优化和控制的模拟域。
2021-05-06 physics.plasm-ph
Study of the impact of fast ions on core turbulence at rational surfaces via global gyrokinetic simulations
Institute for Fusion Studies, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）
本研究通过gyrokinetic模拟揭示快离子通过降低不稳定性阈值和生成zonal结构来抑制湍流，显著减少湍流输运。
2025-12-21 physics.plasm-ph
