托卡马克中等离子体湍流数值模拟研究

发布时间：2020-07-20 22:05

【摘要】：等离子体中湍流会造成横越磁场的粒子输运,破坏托卡马克装置中磁场对粒子的约束,从而影响热核聚变的持续燃烧和破坏装置自身。离子温度梯度模(ITG)和捕获电子模(TEM)湍流被认为是两种非常重要的等离子体湍流。DⅢ-D托卡马克装置在两次放电实验#142358和#142371中分别发现ITG湍流和TEM湍流,且湍流自关联长度,电子相对密度涨落强度和湍流驱动的高能粒子输运在两次实验中基本相同。后一次放电过程加入电子回旋共振加热,其对应的电子温度大概是前一次放电中电子温度的2倍,其它的等离子体参数在两次实验中几乎是相同的。为了解释这一实验结果,本论文采用基于第一性原理的大规模并行环形动理学代码(GTC)进行数值模拟并与实验诊断结果对比分析。DⅢ-D实验中两组放电平衡数据分别被导入到GTC代码进行数值模拟。本论文的内容如下:1.第一步分析碰撞对漂移波湍流的影响,给出无碰撞物理模型和有碰撞物理模型数值模拟结果在电子温度较低和较高等离子中分别进行对比。线性模拟中,在电子温度较高和较低情形下碰撞均会降低漂移波的增长率,并且在电子温度较低时碰撞还会引起漂移波机制由TEM主导不稳定转变为ITG主导不稳定。非线性数值模拟中,湍流场会激发出带状流,湍流场和带状流场相互调制。在无碰撞时,湍流场会激发出高频带状流即测地声模,数值模拟给出的测地声模频率和理论模型结果很好的符合。加入碰撞后可以观察到高频带状流明显被抑制,几乎仅剩下很低频的带状流部分。电子温度较高时湍流强度在非线性饱和阶段几乎保持不变,而在电子温度较低时湍流强度会由于碰撞而下降。2.进一步给出数值模拟在电子温度较低和较高等离子体中ITG湍流和TEM湍流的对比,并与DⅢ-D实验结果对比分析。从线性阶段到非线性阶段的演化过程中,波谱分布中主导模的波长会增大,涨落能量会从较短波长的线性主导模转移到较长波长的非线性主导模。在非线性饱和阶段,湍流场强度,电子相对密度涨落场强度,湍流的自关联长度和湍流驱动的高能粒子输运系数在电子温度较低和较高情形下的都比较接近,和实验观测到的现象一致。湍流场径向自关联长度在ITG湍流机制中大概为3.8ρi(2.3cm),在TEM湍流机制中大概为4.3ρi(2.6cm),这与实验诊断结果给出的两种湍流中径向关联长度为λc(ρ=0.65cm)2cm一致,都是在微观尺度、热离子回旋半径的量级上。两种湍流机制下电子相对密度涨落强度在径向上相近,且与实验诊断结果的数值比较符合。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：

如ＧＴＣ［４］，ＧＹＲＯ［２９］，ＧＥＮＥ［３０］等也都给出了湍流的数值模拟结果。逡逑托卡马克等离子体处于高温状态下，碰撞带来的输运通常会被忽略，逡逑但图１．２所示的ＡＳＤＥＸ托卡马克更新装置［２，邋３］上观测到碰撞会降低逡逑ＴＥＭ不稳定性驱动的湍流输运，甚至会引导ＴＥＭ湍流到ＩＴＧ湍流机制逡逑４逡逑

ＧＥＮＥ等，起初各个代码在湍流输运系数的定标率上存在分歧，逡逑随着各个代码发展和完善以及相互间的交流沟通，湍流输运定标结果逐逡逑步取得了一致的认可（图１．４）邋［５］。ＧＴＣ代码发展很早且很迅速，能充分逡逑利用大规模并行超级计算机资源，最早给出了有关装置尺寸的输运定标逡逑率［４８］，并指出随着装置的逐渐变大输运机制会从Ｂｏｈｍ输运尺度转换逡逑为0７１＇0七0１１0１尺度［４９，５０］。８0１１１１１扩散机制下输运系数正比于３７５，而逡逑Ｇｙｒｏ－Ｂｏｈｍ扩散机制下输运系数则是正比于ｙｚｙｉ？，其中ｐ＊邋＝邋ｐ，：／ａ，内逡逑是离子的回旋半径，ａ是托卡马克装置的小半径。陈等人［５１］通过非线性逡逑理论给出了邋Ｂｏｈｍ机制向Ｇｙｒｏ－Ｂｏｈｍ机制转换的物理机制，并验证了数逡逑９逡逑

图１．６邋ＤＩＩＩ－Ｄ托卡马克装置观测到高能粒子输运系数随着温度ｒｅ增大输运增强，这和之逡逑前数值模拟的结果一致ｍ

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本文编号：2764010