HL-2A装置实时等离子体位形重建系统的加速优化

现有的HL-2A实时平衡重建系统采用的是网格尺寸为33×33,将无法满足HL-2M装置对控制精度和速度要求。为此开发了网格尺寸为129×129的重建系统,并通过GPU并行、算法重构等优化方法,使得新的重建系统在保证计算精度的情况下能够使得每一次平均重建计算维持在600μs内,可满足HL-2A和HL-2M中周期为1ms等离子体控制系统对重建系统精度和速度要求。     

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描述了HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化算法,主要包括G-S方程的并行化处理、三对角方程求解、网格边界磁通计算以及一系列矩阵相乘的并行加速.并行后,在129×129的网格下完成一次迭代计算需要约575μs.     

HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化

描述了HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化算法,主要包括G-S方程的并行化处理、三对角方程求解、网格边界磁通计算以及一系列矩阵相乘的并行加速。并行后,在129×129的网格下完成一次迭代计算需要约575μs。     

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采用了新的放电方案,消除了环向场对磁测量的影响。通过修改信号调理电路,解决了积分器不能响应磁通快速变化的问题;通过改进磁测量的标定方法,在准确标定磁通和极向磁探针测量的同时,有效地标定了径向磁探针的测量信号。输入这些有效标定数据后,EFIT能快速收敛,获得了准确可靠的位形重建结果,与探针、氢阿尔法和CCD等诊断结果很好符合。同时介绍了自行研制的sFIT位形重建代码,该代码得到的位形重建结果,与EFIT反演结果一致。     

HL-2A等离子体边界识别的模拟研究

采用电流丝模型对HL-2A等离子体边界重建做了模拟计算。结果表明,对于孔栏位形、双零位形和下单零位形,重建的等离子体边界与平衡计算的边界能很好地吻合,最大径向距离小于8mm。     

HL-2A等离子体形状实时显示系统

为了研究HL-2A等离子体偏滤器位形，研制了等离子体形状实时显示系统. 采用固定位置电流丝和有限电流元的方法编写了CF编码. 采用32道同时刻采集器UA301采集等离子体周围的磁场信息，使用P4 3GHz E CPU组装的兼容计算机处理数据. 这个系统每4ms采集一次数据并存盘，每16ms重画一次等离子体边界. 放电结束后可以详细地计算等离子体边界及其磁场以及由此导出的等离子体参数. 关键词： 等离子体平衡重建 边界识别 实时显示     

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在HL-2A的实验中,我们采用了一种像素法二维层析成像分析技术对软X射线进行反演成像。该方法可对等离子体截面软X射线分布提供详细及可视化的研究方法。该二维层析反演方法已经在HL-2A上得到了成功应用,重建了杂质注入过程和双锯齿破裂过程。     

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针对HL-2A DAS的数据特点，采用先进多层架构，开发出了HL-2A远程实验数据获取与处理系统。系统提供了丰富的远程信号处理计算和信息检索功能，实现了所获即所需的数据远程传输。同时给出Web和Windows客户端应用实例简介。     

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介绍了磁通环法测量等离子体位移的原理。通过计算由磁通环及其附近小磁探针得到的数据,给出了位移随时间变化的曲线。通过将所得到的等离子体位移的变化趋势与非对称探针和CCD相机的测量结果进行比较,验证了磁通环法测量的正确性。该测量方法已用于HL-2A等离子体位移反馈控制系统。     

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通过中平面活动10探针组、往复快速扫描4探针和低杂波天线口的固定4探针测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。用偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列测量了同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。比较了在孔栏位形和偏滤器位形下边缘等离子体特性的差异,特别是两种位形下边缘温度和密度衰减长度的变化。分析了在多脉冲超声分子束加料和低杂波注入条件下的边界等离子体特性,以及雷诺协强的径向梯度与极向流和径向电场梯度与湍流损失的相互关系。     

HL-2A 等离子体位形重建研究

采用了新的放电方案,消除了环向场对磁测量的影响。通过修改信号调理电路,解决了积分器不能响应磁通快速变化的问题;通过改进磁测量的标定方法,在准确标定磁通和极向磁探针测量的同时,有效地标定了径向磁探针的测量信号。输入这些有效标定数据后,EFIT 能快速收敛,获得了准确可靠的位形重建结果,与探针、氢阿尔法和CCD 等诊断结果很好符合。同时介绍了自行研制的sFIT 位形重建代码,该代码得到的位形重建结果,与EFIT 反演结果一致。     

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The simulation results of the plasma reconstruction were obtained and compared with the accurate balance results. With the introduction of random errors in the simulation process, robustness of the inversion procedure had been verified. The reconstruction results using the experimental data from EAST device had been compared with the inversion results from EAST’s RTEFIT to verify the correctness of the results that a single time and the continuous-time inversion. The results show that, choosing the current distribution model and magnetic diagnostic data through the equilibrium reconstruction algorithm can correctly identify the plasma shape.     

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根据基尔霍夫电律和牛顿力学,推导出了HL-2A等离子体平衡响应线性模型。基于matlab/simulink仿真平台并利用HL-2A装置历史实验数据,对等离子体响应模型进行了仿真分析。结果表明,此响应模型能够较好地反映极向场线圈电压与等离子体参数、磁通、磁场等物理量之间的关系,可以作 HL-2M装置位形控制器的研究设计基础。     

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介绍了HL-2A装置低杂波加热系统中的低压部分实时保护系统的原理和工作情况。实时保护电路工作可靠,系统低压部份响应延迟时间小于1μs。在2004年的单只速调管实验中,对波导内拉弧打火,速调管管体电流和速调管集电极过流进行了实时保护,各个保护对象都有专用的探头进行测量,其中管体电流探头精度达到0.7%。实验信号的分析表明保护系统的设计达到了实验要求,有效地保护了实验对象。     

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HL-2A装置MHD不稳定性实时预测破裂系统采用了一种简单有效的方法来预测MHD不稳定性导致的等离子体大破裂。利用Mirnov线圈探测MHD信号,根据信号的振幅或频率特点设定计算方法,来预测等离子体破裂先兆,然后用激光吹气注入杂质来缓解等离子体破裂。研究结果表明,该系统能够实时预测破裂先兆,按量注入杂质后,可达到破裂缓解目的。     

HL-2A装置改造方案磁流体平衡的数值模拟

对HL-2A装置的改造方案进行数值模拟,获得了放电初始阶段零场区域设计的最佳方案、等离子体限制器平衡位形、单零偏滤器平衡位形和双零偏滤器平衡位形以及从气体击穿到等离子体电流平顶的等离子体平衡位形的演化过程。计算结果表明,该装置设计方案能够满足装置预期的设计参数要求。