直线磁化装置中漂移波湍流—带状流系统的自调节动力学实验研究

发布时间：2017-05-05 07:08

  本文关键词：直线磁化装置中漂移波湍流—带状流系统的自调节动力学实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文主要研究了在直线磁化等离子体装置中,存在的一种由漂移波湍流自发产生的电势涨落结构：带状流(zonal flow).理论研究表明,在环位型等离子体中,带状流具有极向和环向对称,而径向波数有限的特殊空间结构。带状流存在两个分支：测地声模(Geodesic Acoustic Mode,简称为GAM)和低频带状流(Low Frequency Zonal Flow,简称LFZF).其中GAM是带状流在环形效应下耦合产生的。 理论和模拟研究表明：带状流从背景湍流中获得能量,进而降低湍流的幅度；同时又通过E×B剪切调制背景湍流,从而降低湍流的径向相关长度,这两个过程都起到了抑制湍流幅度和横越磁场的输运,改善约束效果的作用。漂移波湍流和带状流整体构成了一个自调节的体系,称为漂移波-带状流系统,这个概念现在已经被广为接受。因此,在磁约束聚变领域中,带状流扮演着一个极其重要的角色。 与托卡马克,仿星器等大型磁约束实验装置相比,直线磁化等离子体装置是一种相对小型的磁约束装置。这类装置通常具有较为简单和便于分析的磁场位型,装置操作和等离子体参数全面测量也比较简单等优点,有利于很多基础物理问题更加深入的实验研究。目前国际上仍旧有许多此类的装置维持运行,并且获得了很多重要的物理结果。 直线磁化等离子体装置(Linear Magnetic Plasma Device,简称LMPD)是由中国科学院基础等离子体物理重点实验室自发设计和安装。在该装置中,笔者发现随着实验区背景磁场的逐渐增加,获得了含有密度梯度驱动的漂移波相干模谐波的宽谱湍流,并且带状流随之出现。在此基础上,通过安排朗缪尔探针阵列实验验证了带状流具有完全符合理论和模拟工作所预言的低频带状流的模特征,即角向模数m=0,轴向平行波数k｜｜=0,而径向波数有限kr(?)0.15cm-1,△kr(?)1.14cm-1,并且中心模频率接近为0。 通过对不同磁场下角向间隔为π的悬浮电位互功率谱密度进行洛伦兹型分布函数拟合的结果,我们发现在B=480～940Guass这样一段磁场范围内,所得的半高宽参数变化很小,这说明在磁场变化时,带状流的阻尼率几乎保持不变。带入等离子体参数通过计算笔者发现离子-中性粒子碰撞阻尼率远远大于由于离子粘滞而导致的阻尼率。因此,离子-中性粒子碰撞阻尼应当是笔者实验中带状流的主要线性阻尼机制。而该阻尼率基本不随磁场变化,这和我们的计算结果是自洽的。 使用自双谱分析,笔者发现LFZF和高频湍流发生明显的三波耦合,通过包络分析方法,笔者认为其中包含了幅度调制和相位调制两个过程,前者主要反映了带状流从背景湍流中通过非线性耦合获得能量的产生过程,即参量不稳定性；而后者主要反映了带状流产生之后对背景湍流的剪切作用,即多普勒剪切效果。 通过改变磁场,进行了漂移波-带状流系统中的自调节动力学实验研究。实验结果表明,随着磁场逐渐增加,湍流线性增长率增大,系统总能量增加,而带状流则在某个磁场阈值处开始产生并逐渐增强。通过比较不同成分能量的比值随湍流总能量的变化趋势,我们发现其规律与理论提出的”捕猎者-猎物”模型(the generalized predator-prey model)很好地符合,并且可以根据该理论进一步获得漂移波的增长率随系统总能量或磁场变化的定性关系。 为了研究带状流对背景湍流的调制作用效果,对不同带状流能量下的背景湍流的径向和角向平均波数kr及波数展宽△kr的变化趋势进行了研究,结果表明带状流对湍流存在调制作用,该作用使得背景湍流的径向平均波数和波数展宽增加,从而减小其径向输运步长,抑制输运；同时角向平均波数和波数展宽都减小,这说明湍流涡旋结构在带状流的作用下被扭曲,其径向尺度减小而角向尺度增加,与理论和模拟结果相符合。 我们还通过条件分析方法,深入细致地研究了带状流对径向粒子通量的抑制作用效果。实验结果表明该作用主要是由于密度和电势涨落之间的互相关因子被显著抑制所导致的,与某些理论和实验结果相符合。 另外,我们还尝试使用计算非线性能量耦合方程和能流来研究带状流和背景湍流之间的非线性能量交换机制。 最后,我们进行了一些关于相干结构和blob的实验内容尝试,发现在限制器以外的等离子体边界区域,等体密度轮廓平坦,离子饱和流涨落信号表现出强烈的阵发特性,可能预示着blob结构的存在。
【关键词】：直线磁化等离子体装置 弱电离等离子体 漂移波湍流 低频带状流 谱分析 包络分析 Langmuir探针阵列 E×B剪切 碰撞阻尼 径向粒子通量 非线性能量耦合 相干结构 blob
【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】：2015
【分类号】：O533
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-11
• 目录11-15
• 第一章 漂移波湍流-带状流系统15-67
• 1.1 直线磁化装置中的漂移波不稳定性和漂移波湍流15-20
• 1.1.1 漂移波和漂移波线性不稳定性15-18
• 1.1.2 非线性漂移波方程和漂移波湍流18-20
• 1.2 漂移波湍流中的带状流理论20-36
• 1.2.1 带状流的分类21-24
• 1.2.2 平板模型下带状流产生的参量不稳定性24-27
• 1.2.3 带状流对背景湍流的剪切机制以及通过剪切抑制径向输运27-31
• 1.2.4 带状流的线性阻尼机制31
• 1.2.5 带状流的非线性阻尼和饱和机制31-34
• 1.2.6 带状流研究的重要意义34-36
• 1.3 LFZF的实验总结36-57
• 1.3.1 环形装置中LFZF的实验研究结果36-40
• 1.3.2 直线磁化等离子体装置中LFZF的实验研究进展介绍40-57
• 参考文献57-67
• 第二章 静电探针理论和数据分析方法67-111
• 2.1 静电探针介绍67-78
• 2.1.1 单探针67-71
• 2.1.2 双探针71-72
• 2.1.3 三探针72-74
• 2.1.4 径向输运通量探针74-75
• 2.1.5 发射探针75-77
• 2.1.6 射频补偿探针77-78
• 2.2 常用数据处理方法78-109
• 2.2.1 时域相关78-80
• 2.2.2 条件平均80-82
• 2.2.3 双正交分解法82-84
• 2.2.4 傅里叶变换和两点法测量功率谱密度84-86
• 2.2.5 局域波数频率谱86-89
• 2.2.6 径向离粒子输运通量的数字谱分析89-91
• 2.2.7 双谱分析91-92
• 2.2.8 包络分析方法92-99
• 2.2.9 幅度相关法99
• 2.2.10 能量传输函数99-102
• 2.2.11 能流(transitioning flow)102-109
• 参考文献109-111
• 第三章 装置简介和静电探针安排111-129
• 3.1 直线磁化等离子体实验装置简介111-121
• 3.1.1 装置结构111-113
• 3.1.2 装置真空系统介绍113
• 3.1.3 直线实验区磁场系统113-115
• 3.1.4 充气系统115
• 3.1.5 二维移动系统115-116
• 3.1.6 限制器(Limiter)结构116-117
• 3.1.7 等离子体源117-121
• 3.2 静电探针安排121-127
• 3.2.1 二维移动扫描探针121
• 3.2.2 径向粒子通量三探针121-122
• 3.2.3 测量带状流模特征的静电探针组122-123
• 3.2.4 为计算非线性能量耦合项的探针设计123-127
• 参考文献127-129
• 第四章 低频带状流的实验研究129-191
• 4.1 等离子体参数扫描129-138
• 4.1.1 热阴极放电下的等离子体参数扫描129-133
• 4.1.2 射频放电下等离子体参数扫描结果133-138
• 4.2 等离子体涨落特性、等离子体源的选择和弱湍流状态获得138-144
• 4.2.1 两种放电方式下的涨落特性对比138-139
• 4.2.2 热阴极放电下的涨落特征139-144
• 4.3 低频带状流的实验研究144-187
• 4.3.1 模特征的测量和判定144-150
• 4.3.2 带状流的阻尼机制研究150-153
• 4.3.3 低频带状流和背景湍流之间的非线性能量耦合153-169
• 4.3.4 低频带状流对背景湍流的调节作用169-173
• 4.3.5 带状流对横越磁场的径向粒子输运的抑制173-187
• 参考文献187-191
• 第五章 相干结构和blob的初步实验结果191-203
• 5.1 相干结构(Coherent Structure)191-193
• 5.1.1 相干结构介绍191-192
• 5.1.2 相干结构的相关实验结果192-193
• 5.2 blob193-203
• 5.2.1 blob的介绍193-194
• 5.2.2 blob的实验寻找194-203
• 参考文献203-207
• 第六章 总结和展望207-211
• 发表的学术论文和会议报告211-212
• 致谢212

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 谢锦林;于治;刘万东;俞昌旋;;Observation of Low Frequency Instability in a Magnetized Plasma Column[J];Plasma Science and Technology;2006年01期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 谢锦林;磁化等离子体低频不稳定性研究及激光诱导荧光诊断[D];中国科学技术大学;2008年

2 兰涛;托卡马克边缘等离子体中测地声模带状流的实验研究[D];中国科学技术大学;2008年

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