Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part II. Modes of optimal growth
我们引入模式的瞬时最佳增长的自由能的完全电磁陀螺方程。我们演示了这些“最佳模式”是如何自然产生的自由能平衡方程,使其方便的分解,并产生一个简单的图片的能量流。最佳模式有许多其他有利的功能,如它们的低维,计算效率,以及事实上,他们的增长率提供了一个严格的和“紧”的上限上的非线性增长率的能量,和传统的gyrokinetic(正常模式)不稳定性的线性增长率。我们提供了简单的封闭形式的解决方案的最佳增长率在一些渐近极限,并比较这些与我们以前的界限。
2022-01-21 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
Gyrokinetic modelling of anisotropic energetic particle driven instabilities in tokamak plasmas
中性束产生的高能粒子在托卡马克装置中激发了高能粒子驱动的测地声学模(EGAM)。我们研究了高能粒子分布函数的各向异性对这种不稳定性的激发与ORB 5,一个回旋粒子在细胞的代码。数值结果显示与ORB 5的线性静电模拟。的增长率被发现是敏感地依赖于相空间形状的分布函数。的不稳定性的行为进行定性比较的色散关系的理论分析。利用加热求解器RABBIT得到了真实的中性束高能粒子各向异性分布,并作为输入分布函数引入到ORB 5中。结果表明,依赖于注入角的增长率。实验测量的定性比较,发现它们之间的一些分歧,在模拟的增长率远低于从实验。的差异的解释是先进的。
2022-01-11 physics.plasm-ph
Integrating Gyrokinetic Flux Predictions with Ideal MHD Stability Boundaries
General Atomics(通用原子能公司);UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority)(英国原子能管理局)
提出一种集成台基-稳定性工作流,结合平衡扫描、MHD稳定性分析和回旋动理学输运预测,再现KBM第一和第二稳定性结构,并应用于球形托卡马克和SPARC类高环向场等离子体。
2026-06-26 physics.plasm-ph
Energetic Consistency and Momentum Conservation in the Gyrokinetic Description of Tokamak Plasmas
陀螺运动场论是在一般哈密顿量的背景下解决的。背景磁几何是静态的和轴对称的,并且拉格朗日量对动力学变量的所有依赖都是在哈密顿量或自由场项中。场的方程由函数导数给出。通过哈密顿量的对称性与时间和几何的环角不变性导致能量和环动量守恒。在对涨落幅度的不同排序水平中,能量一致性是精确的。强调了这一点在支持守恒定律中的作用。局部输运方程的涡量,环动量,和能量的推导。特别是,动量方程示出任何形式的哈密尔顿表现良好,并放宽其磁流体动力学(MHD)的形式时,采取长波长近似的哈密尔顿。目前使用的几种形式,这些形式的基础上,大多数全球性的模拟,被证明是很好地定义内的gyrokinetic场论和精力充沛的一致性。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of the nonlinear interaction of Alfvén instabilities and energetic-particle driven geodesic acoustic modes
本研究基于ASDEX Upgrade真实平衡位形,用ORB5代码开展陀螺动力学模拟,探究高能粒子驱动的阿尔芬模与测地声模带状结构的非线性相互作用,发现两种浓度区间的不稳定特性差异,并通过三波耦合机制给出理论解释。
2021-03-05 physics.plasm-ph
The energetic coupling of scales in gyrokinetic plasma turbulence
从自由能交换的角度分析了磁化等离子体湍流中由于非线性相互作用而引起的垂直空间尺度的耦合。在这里考虑的等离子体,适当的离子或电子绝热电中性响应,所描述的回旋形式主义的环形磁几何。由于温度梯度不稳定性(离子温度梯度(ITG)或电子温度梯度(ETG))驱动的静电涨落,湍流发展。该分析包括将系统分解成一系列尺度结构,同时分别考虑具有特殊对称性的模式(例如,纬向流模式)。这些尺度的相互作用进行了分析,使用能量传递函数,包括向前和向后的分解,尺度通量和局部功能。ITG和ETG情况之间的比较表明,ETG湍流具有更明显的经典湍流行为,表现出更强的能量级联,与gyrokinetic湍流建模的影响。
2014-07-03 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic particle-in-cell simulations of internal kink instabilities
采用电磁回旋动力学粒子模拟程序(PIC)研究了直线托卡马克中的内扭结不稳定性。用PIC程序成功地模拟了理想MHD内扭结模和无碰撞$m = 1$撕裂模。抗磁效应的内部扭结模式也进行了研究。
2012-09-26 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
Tightening energetic bounds on linear gyrokinetic instabilities
本文针对平板离子温度梯度模,推导了线性回旋动理学不稳定性的能量上界,证明其紧密性无根本限制,并提出约束最优模以高效逼近线性增长率,捕捉实频率效应。
2025-05-23 physics.plasm-ph
Linear and nonlinear benchmark of gyrokinetic simulation of energetic particle driven toroidal Alfven eigenmodes in ITPA TAE benchmark case
Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Science(中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所);Department of Physics, University of Colorado, Boulder(科罗拉多大学博尔德分校物理系)
本文在ITPA TAE基准案例中对TEK代码开展线性与非线性基准测试,其非线性结果与解析理论吻合,为未来代码间非线性基准提供了数据。
2026-08-10 physics.plasm-ph
Pullback transformation in gyrokinetic electromagnetic simulations
结果表明,一个相当大的改善,在全球陀螺运动的电磁模拟,可以实现通过稍微修改的模拟方案。新方案得到了验证,模拟了托卡马克几何结构中的环形Alfvén本征模在低垂直模数,所谓的“MHD极限”。此外,电磁漂移模式已成功地模拟在仿星器。
2014-07-15 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
The Second Quadratic Invariant of Astrophysical Gyrokinetics
University of New Hampshire(新罕布什尔大学);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校)
该研究发现天体物理陀螺动力学的新二次不变量陀螺动力学螺旋度,推导其在五种子模型中的极限形式,揭示磁流体与相空间螺旋度的转化机制,该转化可规避螺旋度壁垒并增强太阳风湍流加热。
2026-07-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
A toroidally spectral field solver in the X-point Gyrokinetic Code for accurate simulation of reduced magneto-hydrodynamic modes
Princeton Plasma Physics Laboratory(普林斯顿等离子体物理实验室);University of Minnesota(明尼苏达大学);Fiat Lux, LLC(Fiat Lux有限责任公司);Max-Planck-Institut für Plasmaphysik(马克斯·普朗克等离子体物理研究所);Jubilee Development;Rensselaer Polytechnic Institute(伦斯勒理工学院)
在全局电磁总f回旋动理学粒子云网格代码XGC中实现了一种新的场求解器,通过放弃大环径比假设并采用环向谱离散化,提高了对大规模MHD型模式(如内扭曲模、撕裂模和剥离模)的求解精度。
2026-06-25 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
Verification of long wavelength electromagnetic modes with a gyrokinetic-fluid hybrid model in the XGC code
作为动力学电子的替代选择,回旋动力学总f粒子单元(PIC)代码XGC 1已经通过将回旋动力学PIC离子与无质量漂移流体电子相结合而扩展到MHD/流体类型电磁区域,类似于Chen和Parker,Physics of Plasmas 8,441(2001)。两个代表性的长波长模式,剪切阿尔文波和电阻撕裂模式,在圆柱形和环形磁场的几何形状进行了验证。
2017-02-16 physics.plasm-ph
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part 4. Bounce-averaged electrons
本文将最优模式分析用于含完全回旋动理学离子与反弹平均电子的简化双组分系统,获得更紧的离子尺度不稳定性能量上界,并揭示最大-J性质借助模式惯性产生额外稳定作用。
2024-04-09 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of the damping channels of Alfvén modes in ASDEX Upgrade
托卡马克中能量粒子驱动的Alfvénic不稳定性的线性失稳和非线性饱和强烈依赖于阻尼通道。在这项工作中,无碰撞阻尼机制的Alfvénic模式进行了研究的陀螺框架内,通过全球模拟与粒子在细胞代码ORB 5,并与本征值代码LIGKA和简化模型进行比较。特别是,连续阻尼和朗道阻尼(离子和电子)被认为是。电子朗道阻尼被发现是占主导地位的离子朗道阻尼实验相关的情况下。作为应用,对ASDEX Upgrade中由超环面引起的Alfvén本征模和能量粒子驱动模的线性和非线性动力学进行了理论研究,并与实验测量结果进行了比较.
2019-10-31 physics.plasm-ph
Second stability region for gyrokinetics and the L-H transition
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院);Max-Planck-Institut für Plasmaphysik(马克斯·普朗克等离子体物理研究所)
本文研究了双稳定性区域在线性磁流体动力学平衡模式中的存在,表明在等离子体进入H模式时,bootstrap电流和Shafranov位移改变磁场,导致等离子体进入该区域。通过模拟更现实的磁场几何结构,展示了从L模式到H模式的碰撞less电离层湍流输运显著降低,这是由于bootstrap电流降低全局磁旋度和压力梯度改变局部磁旋度所致。
2026-11-10 physics.plasm-ph
Generalized mixed variable-pullback scheme with non-ideal Ohm's law for electromagnetic gyrokinetic simulations
本研究将非理想欧姆定律整合到混合变量-回拉格式中,提出纯辛($v_\text{∥}$)电磁回旋动理学模拟格式,避免抵消问题,通过一维剪切阿尔芬波问题验证其与理想格式性能相当,并提出无欧姆定律的改进格式以减少标记数提升性能。
2025-09-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
How accurate are flux-tube (local) gyrokinetic codes in modeling energetic particle effects on core turbulence?
本研究针对真实JET参数,通过GENE代码对比全局与局域通量管湍流模拟,评估通量管代码模拟快离子对芯部湍流影响的适用范围,发现仅静电和临界稳定情形下局域模拟有效,线性不稳定AITG/KBAE情形需全局模拟。
2023-05-05 physics.plasm-ph
Full $f$ and $δf$ gyrokinetic particle simulations of Alfvén waves and energetic particle physics
在这项工作中,我们专注于发展的粒子在细胞计划和应用的研究阿尔文波和高能粒子物理在托卡马克等离子体。采用混合变量和电磁问题的拉回格式,在相同的基础上建立了$δf$和全$f$格式。TRIMEG-GKX代码[Lu等人,J. Comput. Phys. 440(2021)110384]已使用三次样条有限元和完整的$f$和$δf$方案进行升级。针对ITPA-TAE情况模拟了EP驱动的TAE,ITPA-TAE的特征在于小的电子趋肤深度$\sim 1.18\times10^{-3}\;{\rm m}$,这是电磁模拟的一个具有挑战性的参数范围,特别是对于完整的$f$模型。使用$δf$方案的仿真结果与以前的工作是一致的。对于全$f$和$δf$方案都观察到混合变量/拉回方案的优异性能。混合全$f$ EP和$δf$电子和热离子的模拟表明,这种新的方案在减轻噪声水平的良好功能。完整的$f$方案是EP物理研究的自然选择,它允许EP剖面和分布在速度空间中的大的变化,为动力学研究提供了一个强大的工具,使用与间歇和瞬态等离子体活动有关的现实实验分布。
2022-10-09 physics.plasm-ph
Gyrokinetic modelling of the Alfvén mode activity in ASDEX Upgrade with an isotropic slowing-down fast-particle distribution
在本文中,阿尔文模式的演变研究在一个现实的ASDEX升级平衡通过分析与全球,电磁,gyrokinetic粒子在细胞代码ORB 5的模拟结果。高能粒子的建模都通过新实施的各向同性减速和麦克斯韦分布函数。数值结果的比较表明,建模的高能粒子与等效麦克斯韦,而不是与减速,不影响驱动阿尔文模式的频率,而其增长率似乎被低估了一个数量的差异高达近30%。此外,各向同性慢化的选择允许一个更好的描述的非线性修改的主要阿尔文模式的频率,而一个等效的麦克斯韦低估它。
2022-03-01 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
Applications of Large Eddy Simulation methods to gyrokinetic turbulence
大涡模拟(LES)的方法-数值求解大尺度的湍流系统和占小尺度的影响,通过一个模型-被施加到非线性gyrokinetic系统,是由一些不同的微观不稳定性。模拟,较低的分辨率和较高的分辨率模拟之间的比较进行实验可测量的量,电子密度波动谱。此外,LES的验证和适用性证明通过一系列的诊断系统的自由能的基础上。
2013-12-03 physics.plasm-ph
The linear tearing instability in three dimensional, toroidal gyrokinetic simulations
使用全球陀螺动力学湍流代码GKW对三维环形几何中的经典撕裂模式进行了线性陀螺动力学模拟。结果与圆柱形理想磁流体动力学和解析理论计算结果进行了比较。通过改变电流分布、碰撞度和压力梯度,研究了该模式的稳定性、增长率和频率。无碰撞和半碰撞撕裂模式被发现与两者之间的平滑过渡。一个剩余的,有限的,旋转频率的模式,即使在缺乏压力梯度的观察,这是由于环形有限Larmor半径的影响。当在低碰撞性下存在压力梯度时,模式以预期的电子抗磁频率旋转。然而,岛旋转反转方向在高碰撞。的增长率被发现遵循$η^{1/7}$标度与碰撞电阻率在半碰撞制度,紧随Fitzpatrick发现的半碰撞标度。该模式的稳定性密切遵循的稳定性,使用电阻MHD理论,然而,由于环形耦合和压力效应的修改被视为。
2014-08-01 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
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
Linear gyrokinetic particle-in-cell simulations of Alfven instabilities in tokamaks
本文用粒子胞内回旋动力学程序NEMORB研究了托卡马克装置中阿尔芬模的线性动力学。给出了模型方程,导出了局部剪切Alfven波的色散关系,恢复了不可压缩理想MHD极限下的连续谱。的验证和基准分析进行连续模式在一个圆柱体和超环面诱导阿尔芬本征模。在反向剪切平衡模式也进行了研究,并在极向平面上的平衡参数的空间结构的依赖关系进行了说明。特别是,在极向角的相移被发现是存在的模式,其频率接触的连续,而径向对称被发现是在连续间隙中的模式的特性。
2015-12-30 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
Energetic particles, Shafranov shift and finite $β$ effects on TAE, KBM and ITG instabilities in global electromagnetic gyrokinetic simulations
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne(洛桑联邦理工学院);Max-Planck-Institut für Plasmaphysik(马克斯·普朗克等离子体物理研究所);Université de Lorraine(洛林大学);De Vinci Higher Education(德文奇高等教育);University of Warwick(华威大学)
本文研究了强动能梯度和小比例的融合生高能粒子对等离子体稳定性的影响,通过全球gyrokinetic代码ORB5分析了Alfvén特征模、离子温度梯度模和动能气球模的线性和非线性稳定性,探讨了Shafranov位移和有限β效应的作用。
2026-09-07 physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory of slab universal modes and the non-existence of the Gradient Drift Coupling (GDC) instability
本文用局部近似法分析了无碰撞平板几何的回转运动线性稳定性。我们专注于$k_\parallel=0$普遍(或熵)模式驱动的等离子体梯度在小和大等离子体$k_\parallel=0$。这些是小尺度非MHD不稳定性,增长率通常在$k_\perpρ_i\sim 1$附近达到峰值,在长波长$k_\perp\to 0$极限处消失。这项工作还讨论了被称为梯度漂移耦合(GDC)的不稳定性,以前在gyrokinetic文献中报道的模式,它有一个有限的增长率$γ= \sqrt{β/[2(1+β)]} C_s/|L_p|$与$C_s^2=p_0/ρ_0$的$k_\perp\to 0$和普遍不稳定的$1/L_p\neq 0$。我们表明,GDC不稳定性是一个虚假的,非物理的人工制品,错误地出现由于未能尊重总平衡压力平衡$p_0+B_0^2/(8π)=\text{constant}$,这使得假设$B_0'=0$不一致,如果$p_0'\neq 0$。
2018-04-03 physics.plasm-ph
On Magnetic Compression in Gyrokinetic Field Theory
本文在陀螺动力学场论中引入有限磁压缩效应,证明低β等离子体中曲率与grad-B漂移差及压缩性对电流散度的贡献在β阶内抵消,恢复线性气球模结论。
2024-05-29 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
A comparison of Vlasov with drift kinetic and gyrokinetic theories
对在磁轴附近电场为零的轴对称平衡的动力学考虑表明,在Vlasov理论框架内,del f在轴上不应为零,而在漂移动力学和陀螺动力学理论框架内,它既可以为零,也可以不为零(f是相关粒子分布函数,也可以是引导中心分布函数)。这种不同的行为,涉及到减少相空间,导致损失的弗拉索夫常数的运动,可能会导致在减少相空间中的不同电流的建设比弗拉索夫的。这一结论表明,在磁约束等离子体中心区域高能粒子物理方面,约化动力学理论的影响存在一定的局限性。
2011-04-03 physics.plasm-ph
TRIMEG-GKX: an electromagnetic gyrokinetic particle code with a Piecewise Field-Aligned Finite Element Method for Micro- and Macro-Instability Studies in Tokamak Core Plasmas
本文介绍了TRIMEG-GKX电磁回旋动理学粒子代码,其采用面向对象编程、无滤波器处理和高阶分段场对齐有限元方法,通过粒子分解和域克隆并行化,成功应用于托卡马克核心等离子体微观和宏观不稳定性研究。
2025-04-30 physics.comp-ph physics.plasm-ph
On the importance of parallel magnetic-field fluctuations for electromagnetic instabilities in STEP
本文针对STEP托卡马克等离子体,通过回旋动理学模拟研究平行磁场涨落对电磁不稳定性的影响,分析MHD近似的适用性及局限性,明确大输运状态的成因并非仅源于δB∥物理。
2024-05-20 physics.plasm-ph
AWECS: A Linear Gyrokinetic Delta-f Particle-in-Cell Simulation Code for the Study of Alfvenic Instabilities in High-Beta Tokamak Plasmas
开发了一个一维线性回旋动力学程序AWECS,用于研究高β托卡马克等离子体中Alfvenic不稳定性的动力学激发,β为热压力与磁压力之比。它旨在描述与广泛的频率和波长相关的物理学。例如,AWECS能够模拟动力学气球模式,阿尔芬离子温度梯度驱动模式,以及由于高能粒子的阿尔芬不稳定性。此外,AWECS可用于研究低β区的漂移-阿尔芬不稳定性。在这里,代码的布局和所使用的数值方法进行了说明。AWECS是基准对其他代码和收敛性研究进行。
2008-06-27 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
Computational Methods and GPU Acceleration in Plasma Physics: A Empirical Analysis of arXiv Publications and Research Trends
KTH Royal Institute of Technology(瑞典皇家理工学院)
本研究通过分析arXiv上5522篇论文,探究计算等离子体物理中方法选择、团队规模与GPU采用对研究产出的影响,发现MHD研究摘要更长,PIC和gyrokinetic方法与GPU采用关联紧密,为该领域研究演变提供了文献计量视角。
2026-08-06 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gyrokinetic Field Theory as a Gauge Transform or: gyrokinetic theory without Lie transforms
该论文提出陀螺动力学理论应视为低频规范变换而非粒子轨道处理,通过在拉格朗日量中变换保持能量与动量守恒,为全f电磁陀螺动力学计算提供基础。
2024-05-28 physics.plasm-ph
Electromagnetic pressure-gradient-driven instabilities with moderate high mode numbers in tokamak plasmas
Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP(马克斯·普朗克等离子体物理研究所);Laboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT(CIEMAT国家聚变实验室)
该研究用EUTERPE代码分析托卡马克中等离子体压强梯度驱动的不稳定性,发现ITG与KBM的转变依赖平衡一致性,且非MHD贡献在特定条件下影响稳定性,为托卡马克不稳定性研究提供了新的参考。
2026-08-31 physics.plasm-ph
Turbulent broadening of electron heat-flux width in electromagnetic gyrokinetic simulations of a helical scrape-off layer model
我们表明,交叉场运输的刮除层(SOL)可以适度增加电磁效应在高β制度,导致在更广泛的电子热通量的宽度上的终板。这一结论是从全$f$电磁陀螺动力学模拟的螺旋SOL模型,大致近似的SOL的国家球形环面实验(NSTX)。Gkeyll代码,最近成为第一个代码,以证明有能力模拟开放的磁场线鞘边界条件的电磁回旋湍流的模拟已经进行。我们扫描源速率,从而扫描$β$,以便在实验相关范围$α= 0.3-1.5$上扫描归一化压力梯度(MHD气球参数$α\propto \partial β/ \partial r \propto β/ L_p$)。当β增加时,中平面附近的压力梯度标度长度$L_p$几乎没有变化,中平面附近的交叉场传输增加10%会导致电子热通量宽度$λ_q$增加,到达终板的峰值电子热通量减少25%。
2022-04-26 physics.plasm-ph
Nonlinear energy transfer and current sheet development in localized Alfven wavepacket collisions in the strong turbulence limit
在空间和天体物理等离子体中,湍流负责将能量从由剧烈事件或不稳定性驱动的大尺度转移到较小尺度,在较小尺度处湍流能量最终通过耗散机制转化为等离子体热。对向传播的阿尔芬波之间的非线性相互作用,表示阿尔芬波碰撞,驱动这个湍流能量级联,早期的工作与不可压缩磁流体动力学(MHD)方程。最近的工作采用的分析计算和非线性gyrokinetic模拟阿尔芬波碰撞在一个理想化的周期性初始状态已经证明了强阿尔芬波碰撞有效地调解能量转移到较小的垂直尺度和自洽地产生电流片的关键属性。对于两个最初分离的阿尔芬波包之间的碰撞更现实的情况下,我们使用非线性gyrokinetic模拟在这里显示,这些关键属性持续存在:强阿尔芬波包碰撞确实促进了能量的垂直级联,并产生电流片。此外,演变表明,非线性相互作用只发生在波包重叠,然后是一个干净的分离波包与直均匀磁场和非线性演化的停止之间的碰撞,即使在这里提出的gyrokinetic模拟解决色散和动力学效应超出了MHD理论的范围。
2017-05-23 physics.plasm-ph
Non-Maxwellian fast particle effects in gyrokinetic GENE simulations
在实验和数值研究中,快离子对等离子体湍流有显著的影响,并能部分抑制等离子体湍流。了解潜在的物理学并确定其有益效果的范围是未来聚变反应堆的一项重要任务,其中高能离子通过聚变反应和外部加热方案产生。然而,在许多的gyrokinetic代码快离子,为了简单起见,被视为等效麦克斯韦分布粒子物种,虽然它是众所周知的,严格的高度非热化粒子模型,非麦克斯韦背景分布函数是必要的。为了研究这一假设的影响,gyrokinetic代码基因最近已被扩展到支持任意的背景分布函数,这可能是分析,例如减慢和双麦克斯韦,或从数值快离子模型获得。一个特定的射流等离子体与强大的快离子相关的湍流抑制与这些新的代码功能都与线性和非线性陀螺动力学模拟进行了修订。看起来快速离子稳定化倾向于不太强,但仍然具有更真实的分布,这提高了与实验的定量功率平衡一致性。
2018-02-13 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
Evidence of "Two Plasmon" decay of energetic particle induced geodesic acoustic mode
利用非线性回旋动力学理论研究了LHD实验中观测到的高能粒子诱导测地声学模(EGAM)的二次低频模产生。研究发现,在低碰撞等离子体中,EGAM频率可以显著高于局域测地声学模(GAM)频率,并且当其频率接近两倍GAM频率时,EGAM可以衰减为两个GAM,其衰减过程类似于著名的双等离子体振子衰减不稳定性.本文还讨论了这一过程发生的条件。
2021-03-17 physics.plasm-ph
On Kinetic Slow Modes, Fluid Slow Modes, and Pressure-balanced Structures in the Solar Wind
对太阳风的观测表明,惯性范围内太阳风湍流的压缩分量主要由慢模式控制。太阳风的低碰撞性允许非热特征存活,这表明需要动力学等离子体描述。最小阻尼的动力学慢模式与离子声(IA)波和非传播(NP)模式。我们推导出解析表达式的IA-波的色散关系在各向异性等离子体的框架中的gyrokinetics,然后比较它们的全动力学的数值计算,从双流体理论,和MHD的结果。这种比较表明,在中等到高$β$下,MHD和动力学理论预测的波相速度存在重大差异。磁流体力学和动力学理论还规定,所有的等离子体正常模式表现出独特的签名方面的极化。我们量化的相对振幅的波动在三个最低的粒子速度的时刻与IA和NP模式的gyrokinetic限制,并比较这些预测与MHD的结果和太阳风湍流的原位观测。波偏振的观测结果和我们的MHD预测之间的一致性好于动力学预测,这表明等离子体的行为比预期的更像太阳风中的流体。
2017-05-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electromagnetic turbulence suppression by energetic particle driven modes
近年来,在大量的磁约束实验和相应的回旋动力学模拟中,已经报道了高能粒子存在下等离子体湍流的强烈减少。虽然与燃烧等离子体的性能预测高度相关,但到目前为止,对这种主要非线性效应的解释仍然难以捉摸。一个彻底的分析发现,线性边缘稳定的高能粒子驱动模式被激发非线性,消耗湍流的能量含量,并作为一个额外的催化剂的能量转移到带状模式(占主导地位的湍流饱和通道)。相应的签名被发现在一些不同的JET和ASDEX升级放电与减少运输水平归因于高能离子效应的模拟。
2018-12-10 physics.plasm-ph
On Zero Frequency Zonal Flow and Second Harmonic Generation by Finite Amplitude Energetic Particle Induced Geodesic Acoustic Mode
利用非线性回旋动力学理论研究了有限振幅高能粒子感生测地声学模(EGAM)的非线性自相互作用。结果表明,有限振幅EGAM可以驱动零频纬向流(ZFZF)和二次谐波,高能粒子(EPs)通过有限轨道宽度效应在非线性耦合中起主导作用.对于ZFZF,EPs对EGAM非线性自耦合的影响占主导地位的热等离子体也存在,而二次谐波产生只能通过有限振幅耦合通过EPs。我们的研究结果可能会提高稳定纬向模式的理解,因此,漂移波湍流。
2017-03-05 physics.plasm-ph
Ion temperature profile stiffness: non-linear gyrokinetic simulations and comparison with experiment
最近在JET的实验观察表明,离子温度剖面刚度降低的证据,假设是由于伴随的低磁剪切(S)和显着的环形旋转流剪切。非线性陀螺动力学模拟进行,旨在调查背后的观察的物理机制。进行了一组全面的模拟,比较不同的数据集内的各种参数对离子热通量的影响。这些参数包括q、s、转动、转动对磁流体力学(MHD)平衡的影响、R/L_n、β_e、Z_eff和快粒子含量。环向流剪切本身的影响是没有预测的模拟导致离子热通量的显着减少,由于流动剪切和显着的平行速度梯度不稳定的幅度不足。然而,它被发现,非线性电磁效应,由于热和快粒子的压力梯度,即使在低β_e,可以显着降低轮廓刚度。总共五个放电检查,在内外半径。对于所有的情况下研究,模拟和实验离子热通量值同意在合理的输入参数的变化范围内的实验不确定性。
2013-07-16 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of toroidal Alfven eigenmode (TAE) turbulence
针对环向阿尔芬本征模(TAE)影响聚变等离子体性能的问题,本研究采用全回旋动理学方法,明确了TAE的驱动机制与饱和关键因素,并发现其非线性拍频现象或有助于托卡马克中的TAE探测。
2024-04-29 physics.plasm-ph
Saturation of fishbone instability by self-generated zonal flows in tokamak plasmas
本研究通过回旋动力学模拟揭示DIII-D中自生带状流主导鱼骨不稳定性非线性饱和,并定量解释实验观测,同时预测ITER中鱼骨导致的高能粒子再分布较弱。
2024-01-22 physics.plasm-ph