剪切磁场位形下电阻壁模不稳定性的数值模拟

数值研究了平衡磁场位形对电阻壁模稳定性的影响。研究发现,磁场剪切对电阻壁模有解稳作用,对于不同的剪切磁场位形,最不稳定的电阻壁模的环向模数和极向模数不同。等离子流对电阻壁模的增长有抑制作用,稳定住电阻壁模的临界流速度随着磁场剪切率的增大而增大。电阻壁模经线性增长后,进入非线性演化阶段,最后达到饱和状态,剪切磁场位形下的扰动磁能比均匀磁场位形下的扰动磁能饱和度高。     

平衡电流位形对电阻壁模稳定性影响的数值模拟

数值研究平衡电流位形对电阻壁模式稳定性的影响.研究发现,对于不同的电流位形,当等离子体边缘处安全因子一定时,最不稳定的电阻壁模的环向模数和极向模数相同.在同一壁位置下,非均匀电流位形驱动的电阻壁模的线性增长率比均匀电流位驱动的电阻壁模的线性增长率大.等离子体速度流在不同的初始电流位形下对电阻壁模稳定性的影响不同.由于磁力线在壁上的挤压,经过线性演化后,电阻壁模进入非线性演化并达到饱和状态,非均匀电流位形下的扰动磁能比均匀电流位形下的扰动磁能饱和度低.     

高磁雷诺数下剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响

在高磁雷诺数下,当双撕裂模发展进入快速磁场重联阶段时,会发生二级磁岛不稳定性,加剧磁场能量的释放。本文基于扰动形式的守恒磁流体方程组发展高精度的数值模拟程序,在平板位形下研究反对称位形剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响。结果表明：随着剪切流强度和剪切梯度的增加,二级磁岛的数目以及电流片横纵比变小。此外,较强的极向剪切流能够抑制二级磁岛不稳定性的发生。     

托卡马克等离子体中共振磁扰动场放大效应对离子轨道特性的作用

首先,利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程,分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响;然后,利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道,并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制.研究发现,考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽,且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大;同时,离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加.该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.     

低杂波注入对剥离气球模的作用

基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响.模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用.线性结果表明,LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切,使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动.非线性模拟表明,由于线性模谱的展宽,LHW驱动的主等离子体电流对P-B模不同模式具有整体的抑制效果,可以降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失;LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合,促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失.研究发现,HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数,当P-B模的主导模式远离此模数区间,ELM能量损失降低更明显.研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制.     

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研究了模与模之间的相互作用对电阻壁模(RWM)稳定性的影响.当存在多个模的相互作用时,最不稳定的(3,1)模的线性增长率有所下降.经过线性演化后,因磁力线在壁上的挤压,电阻壁模进入非线性饱和状态.与单个模的演化相比,多个模存在时,(3,1)模的饱和度会下降,(5,2)模的磁能会有相应的增长,而(2,1)模磁能饱和度变化不大.     

等离子体轴向运动对撕裂模不稳定性影响研究

从电阻磁流体模型出发,详细推导了柱形位形下低β等离子体中包括等离子体宏观轴向运动效应的电阻性撕裂模线性不稳定性理论。数值研究发现：等离子体轴向运动速度本身对撕裂模具有明显的稳定作用,而轴向运动速度剪切的作用并不明显。分析表明：轴向运动通过改变扰动势函数和磁通函数之间的相位差(偏离π/2)来降低撕裂模增长率,同时产生一个较低的撕裂模频率。     

导体壳对电阻磁流体不稳定性的影响

结合HL-1装置的条件,采用撕裂模的准线性理论,研究了托克马克中导体壁对m=2/n=1扰动模的稳定作用。着重研究了导体壁位置,等离子体电流分布,等离子体位形对这种稳定效应的影响。结果表明,共振面的位置与壁的稳定作用有密切关系,存q_a接近于2的位形中,m=2的撕裂模扰动可以被靠近等离子体的导体壁完全抑制。导体壁的稳定效应与等离子体电流分布相联系,在一些现实的电流分布中,只要适当地压低等离子体边界区的电流密度,壁的稳定效应会更加显现出来。     

磁场对水平温度梯度下双层流体热对流的影响

在水平温度梯度下,双层流体交界面的表面张力会出现梯度,驱动热毛细对流运动,造成热剪切层内的扰动.本文数值模拟了不同重力条件下,双层流体内的对流现象,得出了在微重力时,对流运动将引起热剪切层内强烈的扰动.为了减弱这种扰动,我们利用磁场对流体的运动进行控制.为此,又对微重力条件下,不同方向应用磁场下的热剪切层内扰动行为进行了数值研究,结果显示,磁场对热剪切层稳定性有促进作用,加入法向的应用磁场最为有效.     

ITER装置中等离子体旋转和反馈控制对电阻壁模影响的数值研究

在托卡马克等离子体中,电阻壁模是非常重要的磁流体不稳定性,特征时间在毫秒量级.对长时间稳态运行下的先进托卡马克,电阻壁模限制着聚变装置的运行参数空间(放电时间和比压),影响经济效益,所以研究电阻壁模稳定性至关重要.本文使用MARS程序,针对ITER装置上9 MA先进运行平衡位形,研究了等离子体旋转和反馈控制对电阻壁模的...     

等离子体形变对边界局域模的作用研究

在磁流体模拟代码BOUT++剥离气球模三场模块框架下研究了等离子体形变参数(拉长比和三角形变)对边界局域模的影响。研究表明,在线性阶段,拉长比主要作用于剥离气球模中气球模成分,抑制了环向模数较高的气球模不稳定性;而三角形变则对剥离气球模中剥离模成分和气球模成分均有抑制作用。在非线性阶段,拉长比导致边界E×B剪切率增加,迫使压强扰动的正值部分向等离子体芯部发展,导致边界局域模的能量损失增加;三角形变则导致边界E×B剪切率降低,使得压强扰动可以向等离子体边缘发展,台基向等离子体芯部的崩塌减弱,从而对边界局域模起到缓解作用。     

外加纵向磁场对电子束丝化不稳定性的影响

本文用统计方法讨论了丝化不稳定性扰动电磁场模式的能量。考虑了横向扰动速度与电磁场扰动的耦合。发现在有外加强纵向磁场时,在回旋频率附近长波模扰动磁能与京电子横向热能之比随纵向磁场压强的三次幂减少。     

反磁剪切等离子体中的电阻交换模不稳定性

具有内部输运垒（ITB）的反磁剪切（RS）等离子体位形是在托卡马克中获得高参数的最具前景的途径之一。这种位形不仅改善等离子体约束,而且可以改进象气球模和新经典撕裂模等这类宏观模的稳定性。然而,反磁剪切区域的高压强可以驱动电阻交换模不稳定性,从而破坏中心区的等离子体高参数。为了研究电阻交换模不稳定性的性质,并确定其在RS等离子体中发展的区域,我们利用在HL－2A中使用中性束注入建立的RS位形来分析电阻交换模不稳定性。     

托卡马克理想磁流体不稳定性的统一描述 (I)

在与平衡磁面相联系的坐标系下，用剪切阿尔芬波近似给出了统一描述托卡马克等离子体理想磁流体线性运动的本征模方程。利用此方程，可以进一步给出大尺度扰动（扭曲模、低模数气球模、阿尔芬模）和小尺度扰动（高模数气球模、Mercier模）的本征模方程。本文详细讨论了小尺度扰动的本征模方程。     

HL-1M装置上MHD不稳定性磁扰动模的传播

对在HL-1M装置放电实验中发现的宏观MHD不稳定性磁扰动模的传播现象进行了研究。通过对实验中发现的各种极向模数m值的MHD磁扰动模特征的观察,以及在不同放电条件,特别是在偏压H模放电下传播方向不同的分析,深入研究了MHD模传播与等离子体旋转的定性关系。     

“重力”效应对漂移波稳定性的影响

本文在直柱位形中,用强耦合近似方法分析了“重力” 场随极向角及环向角的变化对剪切磁场中漂移波稳定性的影响。我们发现,即使环向场波纹度很小,但由于其随环向角变化频率较高,对漂移波稳定性的影响不容忽略。特别是,当只考虑极向模耦合时稳定的漂移波,同时考虑环向场波纹度引起的环向模耦合时,变为不稳定。     

基于有限体积法数值模拟双撕裂模非线性演化

以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组。编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响。为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法。     

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以磁流体理论为基础,采用基于有限体积法的通量差分分裂格式数值求解具有双曲保守律形式的电阻磁流体方程组.编写C++程序对平板几何位形下的等离子体双撕裂模进行了长时间数值模拟,得到双撕裂模不稳定性的演化图景,捕捉到了双撕裂模非线性发展过程中磁场重联的几个典型阶段,讨论了等离子体电阻和两个有理面之间的距离对双撕裂模不稳定性非线性发展的影响.为研究磁流体动力学提供了一种可行的高精度数值算法.     

NSTX装置RWMEF线圈产生的随机磁扰动的模拟研究

3维的场线积分编码TRIP3D被修改后用于模拟低纵横比托卡马克NSTX装置上的电阻壁模拟误差场（RWMEF）线圈产生的随机磁扰动，两匝的RWMEF线圈可产生环向模数为n=1或者n=3的随机场。研究表明在相同的线圈电流下，模式n=3的随机场比n=1大，在不同的RWMEF电流及其环向模式下，分别模拟了具有下单零和双零偏滤器放电的随机磁扰动。2kA的RWMEF线圈电流可产生足够强的随机场和较大的边缘等离子体扰动，     

环形轴对称锐边界等离子体的扭曲模不稳定性

本文对任意环径比、任意β值、任意截面形状的轴对称锐边界等离子体,给出了正确的边界条件,导出了无导体壳和存在导体壳两种情况下扭曲模稳定性的能量矩阵,对环向波数n为1,2,3的能量矩阵,给出了可快速、精确积分的具体形式,对不同环径比和不同拉长度b/α的椭圆形、跑道形(包括圆形)截面的等离子体进行了数值计算。计算结果表明,跑道形截面等离子体的临界β值比相应的椭圆形截面的β值高,随着b/α的增大,跑道形截面的临界β值也增加。导体壳有一定的稳定作用。从系统稳定性边缘态的本征矢量来看,存在导体壳时极向扰动的最大分量是模数1的扰动。与J.P.Freidberg和W.Grossmann的工作比较,在环径比为2时,圆截面等离子体的临界β值相差23％,临界q值相差15％。