托卡马克等离子体中射频波的动理学模拟研究
发布时间：2022-01-14 13:31
聚变等离子体中的电流驱动和辅助加热对于环形磁约束装置的持续运行非常重要。射频波（包括低混杂波（LH）,离子伯恩斯坦波（IBW）,快波（FW）以及离子回旋波（ICW）等）作为一种经济高效的电流驱动和辅助加热手段,被认为是未来磁约束聚变电站不可或缺的一部分。目前射频波装置已经在各大实验装置上展现出了优异的性能,然而随着实验装置的密度逐渐提高,射频波特别是低混杂波的电流驱动效率出现巨大的下降。理论研究猜测边界区域的非线性过程可能是驱动失败的主要原因。目前的计算机模拟程序主要集中在使用线性或准线性模型来计算射频波的传播和吸收,研究非线性问题的能力十分有限。为研究其中的非线性物理过程,我们在VirtEx平台上开发了一套使用全动理学离子描述,回旋动理学电子描述的电磁模块。该模块使用一般的曲线坐标系,适用于环位形聚变等离子体的模拟。通过进行单粒子运动测试,场方程测试,我们对模块的正确性进行了细致的检验。在射频波模块的初步应用方面,我们验证了低混杂波和离子伯恩斯坦波在冷等离子体近似下的色散关系,结果与理论预期符合的很好。此模块可以用于研究射频波在等离子体内传播过程中发生的非线性效应,为实现有效的电流驱...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 射频波应用于聚变等离子体中的概况及面临的问题
1.3 低混杂波的相关理论研究
1.3.1 线性色散关系
1.3.2 线性模转换
1.3.3 温度的影响
1.3.4 低杂波的线性阻尼
1.4 离子伯恩斯坦波的线性理论
1.5 射频波的计算机模拟方法
1.5.1 几何光学法(Ray-Tracing)
1.5.2 波束追迹法(Beam-Tracing)
1.5.3 全波模拟方法(Full Wave)
1.5.4 粒子模拟方法
1.6 粒子模拟中的δf方法简介
1.7 工作意义、创新点与内容概要
第2章 射频波粒子模拟的理论模型
2.1 粒子运动方程
2.2 场方程
2.3 曲线坐标系中的粒子运动和场方程求解
2.3.1 曲线坐标系中的粒子运动
2.3.2 粒子运动方程组在磁面坐标系中的形式
2.3.3 标量和矢量拉普拉斯算符
2.3.4 分量形式的场方程
2.3.5 无量纲化的场方程
2.3.6 场方程模块实现中与方程组有关的若干问题
2.4 本章小结
第3章 射频波粒子模拟模块的数值实现
3.1 程序模块的算法实现和执行流程
3.2 全动理学粒子推动的数值算法
3.3 全动理学粒子的边界处理
3.4 高阶插值方法及实现
3.5 有限差分法求解垂直磁场截面上的场
3.6 利用计算机符号系统自动推导复杂曲线坐标系中的算符形式
3.7 程序模块中的并行化
3.8 数据输出,后处理与可视化
3.9 本章小结
第4章 射频波模块的的分块测试
4.1 粒子轨道积分器测试
4.1.1 全动理学轨道积分模块的测试
4.1.2 回旋动理学轨道积分程序的测试
4.2 场方程求解器测试
4.3 本章小结
第5章 低混杂波和离子伯恩斯坦波的模拟
5.1 静电低混杂波
5.2 静电离子伯恩斯坦波
5.3 本章小结
第6章 工作总结与展望
参考文献
附录A 曲线坐标系的基本性质
A.1 符号简介
A.2 任意曲线坐标系
A.3 度规张量(metric tensor)
A.4 矢量在曲线坐标系中的导数
A.5 曲线坐标系中的微分算子
附录B 托卡马克中通行/束缚粒子轨道性质的推导
B.1 通行粒子
B.2 束缚粒子
附录C 构造解方法(Method of Manufactured Solutions)简介
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Particle Trajectory Integrator in Guiding Center Phase Space[J]. 林竞波,张文禄,刘鹏飞,董超,曹金涛,李定. Chinese Physics Letters. 2018(02)
[2]Benchmark Simulations of Gyro-Kinetic Electron and Fully-Kinetic Ion Model for Lower Hybrid Waves in Linear Region[J]. 李德徽,项农,林郁,汪学毅,杨程,马骏. Plasma Science and Technology. 2014(09)
本文编号：3588595
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 射频波应用于聚变等离子体中的概况及面临的问题
1.3 低混杂波的相关理论研究
1.3.1 线性色散关系
1.3.2 线性模转换
1.3.3 温度的影响
1.3.4 低杂波的线性阻尼
1.4 离子伯恩斯坦波的线性理论
1.5 射频波的计算机模拟方法
1.5.1 几何光学法(Ray-Tracing)
1.5.2 波束追迹法(Beam-Tracing)
1.5.3 全波模拟方法(Full Wave)
1.5.4 粒子模拟方法
1.6 粒子模拟中的δf方法简介
1.7 工作意义、创新点与内容概要
第2章 射频波粒子模拟的理论模型
2.1 粒子运动方程
2.2 场方程
2.3 曲线坐标系中的粒子运动和场方程求解
2.3.1 曲线坐标系中的粒子运动
2.3.2 粒子运动方程组在磁面坐标系中的形式
2.3.3 标量和矢量拉普拉斯算符
2.3.4 分量形式的场方程
2.3.5 无量纲化的场方程
2.3.6 场方程模块实现中与方程组有关的若干问题
2.4 本章小结
第3章 射频波粒子模拟模块的数值实现
3.1 程序模块的算法实现和执行流程
3.2 全动理学粒子推动的数值算法
3.3 全动理学粒子的边界处理
3.4 高阶插值方法及实现
3.5 有限差分法求解垂直磁场截面上的场
3.6 利用计算机符号系统自动推导复杂曲线坐标系中的算符形式
3.7 程序模块中的并行化
3.8 数据输出,后处理与可视化
3.9 本章小结
第4章 射频波模块的的分块测试
4.1 粒子轨道积分器测试
4.1.1 全动理学轨道积分模块的测试
4.1.2 回旋动理学轨道积分程序的测试
4.2 场方程求解器测试
4.3 本章小结
第5章 低混杂波和离子伯恩斯坦波的模拟
5.1 静电低混杂波
5.2 静电离子伯恩斯坦波
5.3 本章小结
第6章 工作总结与展望
参考文献
附录A 曲线坐标系的基本性质
A.1 符号简介
A.2 任意曲线坐标系
A.3 度规张量(metric tensor)
A.4 矢量在曲线坐标系中的导数
A.5 曲线坐标系中的微分算子
附录B 托卡马克中通行/束缚粒子轨道性质的推导
B.1 通行粒子
B.2 束缚粒子
附录C 构造解方法(Method of Manufactured Solutions)简介
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Particle Trajectory Integrator in Guiding Center Phase Space[J]. 林竞波,张文禄,刘鹏飞,董超,曹金涛,李定. Chinese Physics Letters. 2018(02)
[2]Benchmark Simulations of Gyro-Kinetic Electron and Fully-Kinetic Ion Model for Lower Hybrid Waves in Linear Region[J]. 李德徽,项农,林郁,汪学毅,杨程,马骏. Plasma Science and Technology. 2014(09)
本文编号：3588595
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3588595.html
