The GBS code for the self-consistent simulation of plasma turbulence and kinetic neutral dynamics in the tokamak boundary
新版本的GBS（Ricci等人，Plasma Phys. Control. Fusion 54，124047，2012; Halpern等人，J. Comput. 315，388-408，2016; Paruta等人Phys. Plasmas 25，112301，2018）。GBS是一个三维、通量驱动、全局、双流体湍流程序，用于托卡马克边界等离子体湍流和动力学中性动力学的自洽模拟。在这里提出的新版本中，模拟域被扩展到包括整个等离子体体积，避免了与核心的人工边界，因此保留了核心-边缘-SOL的相互作用。一个新的环形坐标系的引入，以增加代码的灵活性，允许模拟任意的磁配置（如单零，双零和雪花配置），这也可以是一个实验放电的平衡重建的结果。提出了一种新的迭代求解泊松和安培方程的实现，导致显着的速度加快的代码相对于使用直接求解器，因此允许有效的电磁模拟，避免使用的Boussinesq近似。自洽的动力学中性模型，最初开发的有限的配置，移植到磁配置考虑目前版本的GBS和仔细优化。一个新的MPI并行化实现并行进化的等离子体和中性模型，从而提高代码的可扩展性。等离子体和中性模型的数值实现是通过制造解决方案的方法进行验证。作为GBS新版本的模拟能力的一个例子，TCV托卡马克放电的模拟。
2021-12-07 physics.plasm-ph
Surrogate modeling of drift-reduced Braginskii turbulence with resistivity-conditioned Koopman neural operators
Nanyang Technological University（南洋理工大学）
该研究基于双流体漂移减少的布拉金斯基模型，开发机器学习驱动的代理算子，通过训练电阻率条件柯普曼神经算子构建逐场模型，再现了部分短时间统计特征，为边界等离子体湍流诊断提供快速模拟器，但长时间动态闭合问题仍未解决。
2026-07-20 physics.plasm-ph
Direct multiscale coupling of a transport code to gyrokinetic turbulence codes
用多尺度陀螺动力学程序TRINITY直接耦合输运解算器和局部非线性陀螺动力学计算[M。巴恩斯博士论文，arxiv：0901.2868]中描述。微观和宏观物理的耦合是在多尺度回旋理论的框架内完成的，我们提出的假设和关键结果。在空间和时间尺度分离的假设允许在小区域的时空网格，这是嵌入在一个粗略的网格上的输运方程隐式演变的湍流模拟。这导致了几个数量级的计算费用的减少，使得在约束时间内的完整聚变装置体积的第一原理模拟在当前计算资源上是可行的。TRINITY模拟的数值结果，并与JET和ASDEX升级等离子体的实验数据进行比较。
2009-12-10 physics.plasm-ph
Drift reduced Landau fluid model for magnetized plasma turbulence simulations in BOUT++ framework
最近在BOUT++框架内对漂移减少的朗道流体六场湍流模型进行了升级。特别是，这个新的模型采用了一个新的归一化，增加了体积通量驱动源选项，并行热通量的朗道流体封闭和拉普拉斯反演求解器，它能够捕捉n=0轴对称模式的演变在现实的托卡马克配置。这些改进大大扩展了模型研究更广泛的托卡马克边缘现象的能力，并且对于建立能够同时考虑瞬态（例如，ELM，中断）和运输时间尺度模拟。
2021-06-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Compressible Turbulence as a Source of Particle Beams and Ion Bernstein Waves in Collisionless Plasmas
Universität Potsdam（波茨坦大学）；Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射中心）
通过高分辨率粒子云模拟，研究可压缩湍流如何通过渡越时间阻尼产生超热电子和质子束，并在亚离子尺度激发离子伯恩斯坦波，揭示其在无碰撞等离子体湍流中驱动跨尺度能量传输和动能耗散的核心作用。
2026-05-22 physics.plasm-ph
Global linear stability analysis of kinetic Trapped Ion Mode (TIM) turbulence in tokamak plasma using spectral method
囚禁离子模（TIM）属于离子温度梯度（ITG）模族，是托卡马克等离子体中离子尺度热湍流输运的重要组成部分。正确估计它们的线性增长率对于理解它们对离子尺度湍流输运的影响是至关重要的。对囚禁粒子模式的简化陀螺反弹动力学模型进行了全局线性分析，并提出了求解色散关系的谱方法。重要的是，通过考虑准中性方程中的平衡哈密顿量H_{eq}（ψ）和平衡陀螺反弹平均分布函数F_{eq}的磁通量依赖性，在线性分析中考虑了粒子漂移速度的径向分布。利用这种谱方法，研究了在不同的温度分布和囚禁离子的进动频率下，TIM不稳定性的线性增长率，给出了近似的常数哈密顿量和精确的依赖于温度的平衡哈密顿量。生长速率依赖于温度的对数梯度κ_{T}、密度的对数梯度κ_{n}和平衡哈密顿量κ_Λ。与近似常数哈密顿量的情况相比，精确的依赖于哈密顿量的增长率和潜在的轮廓显着修改。全局线性分析的所有结果与基于半拉格朗日的线性Vlasov求解器具有良好的精度。这种谱方法是非常快的，需要非常少的计算资源相比，线性版本的Vlasov求解器的基础上的半拉格朗日计划。
2023-03-15 physics.plasm-ph
Accelerated Solvers for Neutral Particle Dynamics in Plasma Simulation
本文提出在GBS代码中采用层次矩阵近似加速托卡马克边界中性粒子动力学求解，实现计算时间与内存降低90%以上，并支持更高空间分辨率模拟。
2025-08-15 physics.plasm-ph
Two-fluid boundary turbulence simulations in reversed field pinch plasmas
University of Padua（帕多瓦大学）；Consorzio RFX (CNR, ENEA, INFN, Università di Padova, Acciaierie Venete SpA)（RFX联盟（意大利国家研究委员会、国家新能源研究中心、意大利国家核物理研究所、帕多瓦大学、威尼斯钢铁公司））；Istituto per la Scienza e la Tecnologia dei Plasmi (ISTP), CNR（等离子体科学与技术研究所，意大利国家研究委员会）
本工作扩展GBS代码以支持反场箍缩构型的边界湍流模拟，应用于RFX-mod等离子体模拟发现其边缘流体湍流建模因短平行连接长度存在局限，捕获电子模是主导微观不稳定性。
2026-08-04 physics.plasm-ph
Towards the Use of Anderson Acceleration in Coupled Transport-Gyrokinetic Turbulence Simulations
针对磁约束聚变等离子体模拟中输运与湍流时间尺度差异的问题，将Tango求解器与SUNDIALS中KINSOL的安德森加速功能对接，结合GPTune自动调参，实现了更快收敛并提升了鲁棒性。
2024-09-13 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Reinforcement-learning control of turbulence transition in the modified Hasegawa-Wakatani system
Applied Materials, Inc.（应用材料公司）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Notre Dame（圣母大学）；Cornell University（康奈尔大学）
该研究将强化学习方法应用于改进型长谷川-若菜系统的湍流-带状流双向控制，通过耦合CNN智能体与JAX求解器，在湍流抑制和逆带状流破坏任务中均取得优于基线的效果，证明了强化学习用于等离子体湍流控制的可行性。
2026-08-31 physics.plasm-ph
Spectral analysis of multidimensional current-driven plasma instabilities and turbulence in hollow cathode plumes
空心阴极羽流中的大幅度电流驱动的不稳定性可以产生高能离子，导致阴极溅射和航天器退化。一个2D 2 V（两个维度，每个在配置[D]和速度[V]空间）基于网格的Vlasov-Poisson（直接动力学）求解器被用来研究他们的增长和饱和，这包括四个阶段：线性增长，准线性共振，非线性填充，饱和湍流。分析了湍流区离子的线性模增长率、非线性饱和过程以及离子速度和能量分布特征。回流离子产生大的电子漂移，几个离子声学周期后的势场成为湍流。分析了Vlasov方程的尺度间相空间转移和局域性。多维研究揭示了纵向和横向等离子体不稳定性之间的相互作用，以及等离子体湍流的开始。
2022-11-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.AP
A Parallel Low-Rank Solver for the Six-Dimensional Vlasov-Maxwell Equations
连续体Vlasov模拟可用于完全动力学等离子体的高精度建模。近年来，该方法在实际等离子体结构中的应用取得了很大进展。然而，减少高计算成本，这是固有的完全动力学模拟将是可取的，特别是在高速度空间分辨率。为此，可以采用低秩近似。目前可用的低秩求解器仅限于静电系统或低维系统，因此不能应用于大多数空间，天体物理和聚变等离子体。本文提出了一种新的求解全六维电磁场Vlasov-麦克斯韦方程组的并行低秩算法，该算法压缩了速度空间中的粒子分布函数。特别注意质量守恒和高斯定律。低秩Vlasov求解器应用于等离子体湍流和磁重联的标准基准问题，并与全网格方法进行了比较。它产生准确的结果，大大降低了计算成本。
2022-01-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
GX: a GPU-native gyrokinetic turbulence code for tokamak and stellarator design
GX是一个针对聚变反应堆设计优化的快速GPU原生回旋动理学湍流求解代码，采用全相空间伪谱离散化与径向局部通量管方法，可在数分钟内完成托卡马克和仿星器的湍流模拟。
2024-04-29 physics.plasm-ph
A linear dispersion relation for the hybrid kinetic-ion/fluid-electron model of plasma physics
发展了一种适用于等离子体物理的混合模型的色散关系，它结合了完全动力学离子和无质量电子流体的描述。虽然这个模型和它的变化已经被用来描述等离子体现象约40年，到目前为止，不存在一般的色散关系来描述模型中包含的线性波物理。以前的努力沿着这些线在这里扩展到保留任意波的传播角度，温度各向异性的影响，以及在广义欧姆定律，它确定的电场的附加条款。色散关系的数值求解器的开发，和线性波物理基准对一个完整的弗拉索夫-麦克斯韦色散关系求解器的解决方案。这项工作打开了大门，更准确地解释现有的和未来的波浪和湍流模拟使用这种类型的混合模型。
2016-05-23 physics.plasm-ph
A structure-preserving multiscale solver for particle-wave interaction in non-uniform magnetized plasmas
本文提出一种结合守恒局部间断伽辽金格式与轨迹平均方法的结构保持多尺度求解器，用于非均匀磁化等离子体中粒子-波相互作用，严格保持守恒律并降低计算成本。
2025-05-26 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Electron-Scale Current Sheets and Energy Dissipation in 3D Kinetic-Scale Plasma Turbulence with Low Electron Beta
本文通过SPS代码模拟低电子β条件下的三维动理学湍流，发现级联可形成电子尺度电流片，并揭示压强-应变能量耗散高度间歇且主要集中于约20%体积的电流结构中，其中约1%的电流片与磁重联相关。
2023-06-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of multi-dimensionality and energy exchange on electrostatic current-driven plasma instabilities and turbulence
本文利用2D2V Vlasov–Poisson动理学模拟研究多维电流驱动静电不稳定性的饱和过程，揭示其四阶段演化及各向同性化特征，发现多维效应会限制纵向高能回流离子形成并促进横向高能离子产生。
2024-01-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.AP
A quasi-linear gyrokinetic transport model for tokamak plasmas
托卡马克等离子体的准线性回旋运动输运模型的发展，最终设计提供物理上全面的热力学相关量的时间演化的预测，是一项任务，需要理论，实验和数值研究之间的紧密联系。这里提出的模型框架，它操作的非线性自组织等离子体动力学的复杂性降低，实际上允许多重验证目前的理解托卡马克微湍流。这项工作的主要成果源于制定这种简化运输模型所涉及的基本步骤，即：（1）准线性等离子体响应对非线性计算解的验证，（2）通过非线性代码对湍流测量的精确验证来改进湍流饱和度模型，（3）准线性模型在集成传输解算器中的集成。
2012-04-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A mass-conserving sparse grid combination technique with biorthogonal hierarchical basis functions for kinetic simulations
本文提出双正交和全加权两种层次基函数，用于改进稀疏网格组合技术在动理学模拟中的质量守恒性与数值稳定性，并通过有限体积平流和半拉格朗日Vlasov–Poisson实验验证其精度提升和稳定化效果。
2022-09-23 cs.CE physics.comp-ph physics.plasm-ph
