托卡马克边缘湍流中带状流的负粘滞阻尼.PDF

第 37 卷 第 2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.37, No.2 2 0 1 7 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2017 文章编号：0254−6086(2017)02−0125−06 DOI: 10.16568/j.0254-6086.201702001 托卡马克边缘湍流中带状流的负粘滞阻尼 1 1, 2 胡世林 ，李继全 核工业西南物理研究院，成都 ； 京都大学，日本京都 (1. 610041 2. 611-0011) 摘 要：基于 Hasegawa-Wakatani 湍流模型，数值模拟了托卡马克边缘等离子体中漂移波湍流和相关的反常 粒子输运。从等离子体动量守恒方程出发导出了不采用常规的布辛涅斯克近似的带状流方程，论证了大振幅密度 扰动和湍性粒子流对激发带状流的贡献可等效地对应于低阶负粘滞阻尼效果。数值模拟表明，大振幅密度扰动的 非线性大大增强了带状流饱和振幅，从而有效抑制了湍性粒子输运。研究结果阐明了托卡马克边缘等离子体大振 幅密度扰动的非线性对驱动等离子体旋转、动量输运和带状流的重要性。 关键词：负粘滞阻尼；带状流；布辛涅斯克近似；Hasegawa-Wakatani 湍流模型；密度扰动；托卡马克边缘 湍流 中图分类号： ； 文献标识码： O534 TP311 A 1 引言 到质疑和讨论[6~11]。忽略密度扰动及其变化的非线性 剪切流在等离子体输运中的重要作用已被广泛 相互作用可能导致等离子体动量不守恒，从而导致非 认识，相关的理论和实验研究成果已得到相互检验[1, 物理的等离子体旋转或流形态。尽管近年来有部分数 2] 。剪切流包括新经典平均流和带状流。前者起源于 值模拟表明布辛涅斯克近似对刮离层(SOL)湍流结构 [12] 新经典机制，其幅度和流剪切大小由等离子体力平衡 的影响较弱，但剪切流结构和幅度存在明显差别 。 关系决定；后者主要由等离子体湍流非线性相互作用 因此，布辛涅斯克近似的有效性对于带状流的形成， 激发。带状流是湍性扰动的一个具有极向和环向对称 特别是在边缘等离子体中可能具有重要影响。 的长波长分量，其时间演化也服从于湍流方程。考虑 在托卡马克边缘等离子体，密度扰动幅度与平 到托卡马克等离子体密度扰动对电场(静电势)扰动的 衡量可比拟。在等离子体边界和刮离层(SOL)区域， 响应远小于其平衡量，通常的微观湍流模型采用了布 实验上已广泛地观测到大振幅等离子体高密度泡 辛涅斯克近似，例如著名的 Hasegawa-Mima(HM)漂 和低密度空穴。这些大尺度结构可引起等离子体的 移波湍流以及 Hasegawa-Wakatani(HW) 电阻漂移波边 强对流输运，严重退化等离子体约束性能甚至破坏 [4, 5] ~ 装置的壁表面材料[11] 。在这种情况下，等离子体密 缘湍流模型 。布辛涅斯克近似假设密度