Bringing global gyrokinetic turbulence simulations to the transport timescale using a multiscale approach
环形等离子体核心中能量约束和湍流的特征时间的巨大分离使得长时间尺度上的第一性原理预测极具挑战性。在这里，我们报告的多时间尺度的方法，使耦合全球gyrokinetic模拟与运输求解器计算的自洽温度分布的演变的演示。这种方法，表现出弹性的内在波动所产生的湍流模拟，具有潜在的集成非本地gyrokinetic湍流模拟预测，整个设备模型。
2018-03-27 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas II: Reduced Models for Electron Dynamics
在本文中，我们扩展了[Abel et.例如，代表计划物理、提交]通过利用离子和电子之间的尺度分离。将回旋动力学方程展开为电子与离子质量比的幂，从而为导出约化电子模型提供了一种严格的方法。我们证明了离子尺度的电磁扰动不会改变磁拓扑结构，并认为最低阶的磁场位于涨落通量面上。这些通量表面被用来构建磁坐标，并在这些坐标系中的电子响应离子尺度湍流的方程的封闭系统的推导。所有快电子时标都已从这些方程中消除。我们还使用这些磁表面构造的约化电子模型的电子和电子热的输运方程。
2013-02-28 physics.plasm-ph
Nonlinear entropy transfer via zonal flows in gyrokinetic plasma turbulence
The Graduate University for Advanced Studies（高级研究大学院大学）；Faculty of Arts and Sciences, Komazawa University（驹泽大学文理学部）；National Institute for Fusion Science（核聚变科学研究所）
研究了回旋湍流中非线性熵转移过程，揭示各向同性流对输运调节的作用及不同湍流类型间的熵转移差异。
2026-02-26 physics.plasm-ph
Modeling electron temperature profiles in the pedestal with simple formulas for ETG transport
本文改进并应用了台基区ETG电子热输运的简单公式，通过与回旋动理学模拟对比验证其在球形和常规托卡马克中的适用性，并揭示了电子温度剖面对分离面温密度的强敏感性及ETG与MTM的相对作用。
2023-09-19 physics.plasm-ph
Multiscale turbulence in stellarators
本研究首次模拟仿星器W7-X中的多尺度湍流，发现ETG湍流与离子尺度湍流及带状流相互作用，跨尺度效应显著影响输运预测。
2025-08-08 physics.plasm-ph
Formulation and verification of multiscale gyrokinetic simulation of kinetic-MHD processes in toroidal plasmas
UC Irvine（加州大学尔湾分校）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；KAIST（韩国科学技术院）；Aix-Marseille Université（艾克斯-马赛大学）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Peking University（北京大学）
本文提出并验证了多尺度磁旋动能学模拟模型，用于研究磁约束等离子体中的低频波和湍流，通过统一处理所有动能-磁流体动力学过程。模型通过分离电子响应为解析和非解析部分，有效求解电子漂移动能方程，并用于验证DIII-D托卡马克内部环形模的模拟。
2026-04-07 physics.plasm-ph
High Frequency Geodesic Acoustic Modes in Electron Scale Turbulence
在这项工作中，有限$β$ -效应的电子分支的测地声学模式（el-GAM）驱动的电子温度梯度（ETG）模式。这项工作是基于流体描述的ETG模式保留非绝热离子和el-GAMs的色散关系的非线性驱动的ETG模式的推导。从流体模型的ETG的增长率进行比较，发现从gyrokinetic模拟结果具有良好的一致性。通过与el-GAM的相互作用，发现了一种新的ETG湍流饱和机制，与混合长度估计相比，导致ETG湍流饱和水平显著增强。它表明，el-GAM可以通过增加有限的$β$，以及通过增加非绝热稳定。降低的GAM生长速率是由于包含麦克斯韦应力。
2013-05-28 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
Multiscale nature of the dissipation range in gyrokinetic simulations of Alfvénic turbulence
在第一个回旋动力学模拟中，分析了从MHD范围的尾部到电子回旋半径尺度的所有尺度上Alfvén波湍流中的非线性能量传递和耗散。对于典型的太阳风参数在1 AU，约30%的非线性能量传递接近电子回旋半径尺度介导的模式在尾部的MHD级联。碰撞耗散发生在整个动力学范围$k_\perpρ_i\gtrsim 1$。因此，这两种机制都作用于多个耦合尺度上，为了全面了解Alfvénic湍流中的耗散范围，必须保留这些尺度。
2015-07-09 physics.plasm-ph physics.space-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
Collisionality scaling of the electron heat flux in ETG turbulence
在MAST等离子体在电子回旋半径尺度下的静电模拟中，使用具有绝热离子的局部磁通管回旋动力学代码GS 2，我们发现长时间饱和电子热通量（与能量输运最相关的水平）随着电子碰撞性的降低而降低。在早期的模拟时间，热通量“准饱和”没有任何强烈的依赖于碰撞，并与流状径向细长结构为主的湍流。然而，纬向波动分量继续缓慢增长，直到更晚的时间，最终导致一个新的饱和状态为主的纬向模式和与碰撞率成比例的热通量，在近似的协议与实验观察到的碰撞缩放的能量约束在MAST。我们概述了这种效果的解释的基础上的ETG湍流为主的分区-非分区相互作用的模型和解析导出的缩放的电子-离子碰撞的分区模式阻尼率。随着碰撞性的降低，改进的能量约束有利于未来更热设备的性能。
2017-01-14 physics.plasm-ph
Toroidal and slab ETG instability dominance in the linear spectrum of JET-ILW pedestals
局部线性回旋动力学模拟表明，电子温度梯度（ETG）不稳定性是$k_y ρ_i \gtrsim 0.1$在JET基座放电（92174）的陡梯度区域中增长最快的模式，其中电子温度梯度比离子温度梯度更陡。这里，$k_y$是在垂直于磁场和径向的方向上的波数，并且$ρ_i$是离子回旋半径。在$k_y ρ_i \gtrsim 1$中，增长最快的模式通常是一种新型的环形ETG不稳定性。该环形ETG模式以与$k_y ρ_i \sim (ρ_i/ρ_e) L_{Te} / R_0 \sim 1$一样大的尺度和足够大的径向波数驱动，使得电子有限拉莫尔半径效应变得重要;即，$K_x ρ_e \sim 1$，其中$K_x$是有效径向波数。这里，$ρ_e$是电子回旋半径，$R_0$是最后闭合通量表面的长半径，而$1/L_{Te}$是与平衡电子温度的对数梯度成反比的长度。增长最快的环形ETG模式通常被驱动远离外侧中板。在这种平衡中，离子温度梯度不稳定性是次显性在所有尺度和动力学气球模式被证明是抑制由$\mathbf{ E} \times \mathbf{ B} $剪切。ETG模式对$\mathbf{ E} \times \mathbf{ B}$剪切具有很强的弹性。启发式准线性参数表明，新的环形ETG不稳定性是重要的运输。
2020-10-25 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic analysis of Wendelstein 7-X discharge: unveiling the importance of trapped-electron-mode and electron-temperature-gradient turbulence
本文首次对类 W7-X 仿星器放电进行含动理学电子、平衡径向电场及电磁碰撞效应的非线性径向全局回旋动理学模拟，揭示芯部湍流电子热通量主要由 TEM 和 ETG 驱动，并强调有限电子温度梯度的关键作用。
2024-02-22 physics.plasm-ph
Multiscale Modelling for Tokamak Pedestals
基座建模对于预测未来聚变装置的性能至关重要。目前的建模工作要么缺乏动力学物理，要么计算复杂性过高。为了改善这些问题，我们采取了第一性原理的多尺度方法的基座。我们将提出三组独立的方程，分别涵盖边缘局部化模式、ELM间基座和基座湍流的动力学。这些方程应该如何相互耦合的详细内容。这个框架是完全自洽的，它是来自第一原理的手段，在适当的小参数的渐近展开。推导利用狭窄的基座区域，小的热回旋半径，和低等离子体$β$典型的电流基座操作，以实现其简化。这个框架和gyrokinetics之间的关系进行了分析，并探讨了直接匹配到多尺度gyrokinetics这个框架的可能性。我们的模型和文献中的其他模型进行了详细的比较。最后，这个框架匹配到一个开放的场线区域的潜力进行了讨论。
2018-04-12 physics.plasm-ph
Quasilinear flux model consistent with gyrokinetic ordering
National Institute for Fusion Science（日本国立核聚变科学研究所）；Zhejiang University（浙江大学）
本文提出一种准线性通量模型，通过多尺度回旋动能学有序关系确定饱和幅度，无需非线性模拟校准。该模型在离子尺度上能复现非线性结果，但电子通量主要在电子尺度生成，表明当前线性框架无法捕捉电子输运向离子尺度的转移。
2026-04-27 physics.plasm-ph
Gyrokinetic analysis and simulation of pedestals, to identify the culprits for energy losses using fingerprints
托卡马克装置中的聚变性能关键取决于边缘输运势垒（ETB）抑制能量损失的有效性。指纹的新概念被引入到识别的不稳定性，导致运输损失的ETB的许多今天的实验，从广泛假设的候选人。分析的回旋-麦克斯韦方程组，和实验的回旋模拟，发现每种模式类型产生的各种渠道的传输特性比：密度，热量和杂质。这与某些通道中传输的实验观察或通道驱动源的相对大小一起，可以识别或确定导致能量传输的主导模式。在多个ELMy H模式的情况下，检查，这些指纹表明，MHD类模式显然不是能量传输的主导因素;相反，这个角色是由微撕裂模式（MTM）和电子温度梯度（ETG）模式，此外，可能离子温度梯度（ITG）/陷阱电子模式（ITG/TEM）JET。类MHD模式可能主导电子粒子损失。波动频率也可以是一种重要的识别手段，而且往往与运输指纹密切相关。分析论点统一并解释了以前在多个设备上的不同实验观察，包括DIII-D，JET和ASDEX-U，并且两个DIII-D ETB的详细模拟也证明并证实了这一点。
2019-03-24 physics.plasm-ph
Sensitivities of electron-scale core transport in MAST Upgrade
Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University（普林斯顿等离子体物理实验室，普林斯顿大学）；Gridfire Inc（Gridfire公司）
本研究通过局域回旋动理学分析，考察了MAST-U中L模和H模等离子体对电子温度梯度和ExB剪切的ETG模输运敏感性，发现ETG湍流在L模外芯区可主导电子热输运，但在H模中作用有限。
2026-09-15 physics.plasm-ph
Three-Dimensional Inhomogeneity of Electron-Temperature-Gradient Turbulence in the Edge of Tokamak Plasmas
非线性多尺度陀螺动力学模拟的联合欧洲环面边缘基座显示，电子温度梯度（ETG）湍流具有丰富的三维结构，根据当地的磁场配置强烈变化。在垂直于磁场的平面中，陡峭的基座电子温度梯度引起具有比副法线方向短得多的径向（法线）波长的各向异性湍流。在平行方向上，湍流的位置和平行程度取决于磁漂移和有限拉莫尔半径（FLR）效应的变化。的磁漂移和FLR拓扑结构有一个很好的波长依赖性，这使得附近的磁通表面的顶部和底部在较长的副法线尺度的湍流强度最大值，但在较短的电子gyroradius副法线尺度约束湍流的外侧中平面。我们的模拟表明，长波长ETG湍流不能有效地传输热量，并显着降低整体ETG传输-在我们的情况下，通过多尺度相互作用，由$\sim$ 40 \%。
2022-07-02 physics.plasm-ph
Complex structure of turbulence across the ASDEX Upgrade pedestal
H模湍流输运机制的理论研究是一个巨大的科学和数值挑战。在这项研究中，我们解决了这一挑战的全球性，非线性gyrokinetic模拟的一个完整的基座的分界线，支持gyrokinetic不稳定性的详细表征，从里面的基座顶部基座中心和脚。我们目前ASDEX升级基座模拟使用的gyrokinetic，欧拉，delta-f代码基因（genecode.org），使稳定的全球模拟实验等离子体β值的升级版本。湍流传输被发现表现出多通道，多尺度字符整个基座与占主导地位的贡献过渡从离子尺度的陷阱电子模式（TEM）/微撕裂模式（MTM）在基座顶部的电子尺度电子温度梯度模式（ETG）在陡峭的梯度区域。因此，湍流电子热通量的变化从离子到电子尺度和离子热通量减少到几乎新古典的值在基座中心。ExB剪切被发现在所有通道（电子，离子，静电，电磁）和磁剪切和压力梯度的相互作用强烈降低热通量水平被发现局部稳定离子尺度不稳定性。
2023-03-19 physics.plasm-ph
Modeling Temperature Profiles in the Pedestal of NSTX with Reduced Models
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）；ExoFusion；Oden Institute for Computational Engineering and Sciences（奥登计算工程与科学研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
本文通过耦合Astra传输求解器与neo经典传输和gyrokinetic基的简化模型，预测球形托卡马克H模式pedestal剖面，揭示了neoclassical传输、ETG湍流和KBM/MHD模式对电子和离子热通道的贡献。
2026-03-20 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
Effect of radial pressure corrugations and profile shearing on turbulence in Fusion plasmas
本文研究聚变等离子体台基区中精细尺度径向压强波纹对ETG湍流的影响，发现波纹使ETG模分裂为三个本征值，并通过与局域压强梯度成正比的剖面剪切打碎湍流涡旋、降低输运，提出这是一种普遍的湍流饱和机制。
2025-07-21 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
GKFieldFlow: A Spatio-Temporal Neural Surrogate for Nonlinear Gyrokinetic Turbulence
Independent Researcher, San Diego, CA, USA
GKFieldFlow是一种基于深度学习的时空神经代理模型，用于模拟非线性磁流体湍流，能够高精度预测输运和湍流动态。
2026-01-06 physics.plasm-ph
Collision-dependent power law scalings in 2D gyrokinetic turbulence
非线性回旋动力学提供了一个合适的框架来描述磁化实验室和天体物理等离子体中的短波长湍流。在静电限制，这个系统是已知的表现出自由能级联小尺度（垂直）真实和/或速度空间。自由能的耗散总是由于碰撞（无论碰撞性有多弱），但可能在很宽的尺度范围内分散。在这里，我们专注于自由衰减的2D静电湍流亚离子gyroradius尺度。将现有的弱碰撞边界湍流级联标度理论推广到中等碰撞边界。在这种情况下，非普遍的幂律缩放由于多尺度耗散的预测，并通过直接数值模拟证实了这一预测。
2014-07-24 physics.plasm-ph physics.space-ph
MGKDB: An IMAS-aligned multicode gyrokinetic simulation database for reproducible fusion turbulence modeling and data-driven analysis
Sophelio LLC（索菲奥有限责任公司）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Dutch Institute for Fundamental Energy Research（荷兰基础能源研究所）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）；Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）；General Atomics（通用原子能公司）
MGKDB 是与 IMAS 对齐的开源多代码 gyrokinetic 模拟数据库，可转换异构聚变模拟为可追溯记录，支持多代码计算、大规模分析等，助力可复现的聚变湍流建模与数据驱动分析。
2026-09-04 physics.plasm-ph
Physics-Informed Neural Compression of High-Dimensional Plasma Data
JKU Linz（林茨约翰·开普勒大学）；United Kingdom Atomic Energy Authority, Culham campus（英国原子能管理局卡尔汉姆校区）；EMMI AI GmbH, Linz（林茨EMMI人工智能有限公司）
本文提出物理引导的神经压缩方法，用于高效压缩高维等离子体数据，实现超过70000倍的压缩率，以应对存储瓶颈并支持后处理分析。
2026-02-05 physics.plasm-ph
The JET hybrid H-mode scenario from a pedestal turbulence perspective
本研究首次全面表征JET混合H-mode台基的回旋动理学湍流输运，通过模拟明确不同台基区域的主导不稳定模及E×B剪切、杂质的影响，验证了类反应堆条件下结果的稳定性。
2024-05-17 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
Impact of fast ions on turbulent transport in high-\b{eta} HL-2A scenarios
Shenzhen University（深圳大学）；Southwestern Institute of Physics（西南物理研究院）
研究揭示快离子通过稳定ITG模和影响TEMs，调控高ηHL-2A情景中湍流输运，为高性能等离子体输运机制提供新见解。
2025-12-27 physics.plasm-ph
