托卡马克中环向剪切流对测地声模影响的回旋动理学数值模拟研究

Mean flows and zonal flows in tokamak plasmas can regulate turbulence and turbulence transport and play a critical role in the process of confinement improvement. Recent experiment observations show that toroidal sheared mean flows have significant impacts on geodesic acoustic modes. In this programe, we will study the dynamic of these effects through gyrokinetic simulation and theoretical analysis. The main focus of our study is the effect of toroidal sheared mean flow on the continuum damping and Landau damping of geodesic acoustic mode. Since toroidal flows can be controlled by external means, this study may shed light on the regulation of turbulence by controlling the GAM through controlling the toroidal rotation.

托卡马克中的平衡流和带状流能够调制湍流输运，对于约束改善具有重要作用。最近的实验观测表明，环向平衡剪切流对测地声模（带状流的高频分支）有重要影响。本项目将通过回旋动理学数值模拟与理论分析相结合的方法，研究环向平衡剪切流影响测地声模的物理机制。研究内容主要包括环向平衡剪切流引起的连续谱阻尼对测地声模的影响；环向平衡剪切流对测地声模无碰撞阻尼的影响等。由于环向平衡流可以通过外部手段加以控制，深入理解环向平衡流对测地声模影响的物理机制为通过控制环向平衡流影响测地声模进而控制湍流输运提供可能。

托卡马克中的剪切流能够抑制微观湍流及其引起的湍性输运，对于约束改善具有重要作用。最近的实验观测表明，在L-H转换过程中，环向平衡剪切流对测地声模（带状流的高频分支）有重要影响。基于回旋动理学的计算也表明，环向流不仅可以影响测地声模的频率，还会影响其阻尼率以及残余带状流的大小。而通过回旋动理学数值模拟研究平衡流对带状流的影响具有重要的理论和实际意义。本项目在前期工作的基础上，自主开发了大规模回旋动理学数值模拟程序NLT，可用于托卡马克中的ITG湍流及带状流的研究。同时，我们基于实验室坐标系下的回旋动理学理论模型，在程序中加入了环向转动模块，可以用于模拟存在环向转动时湍流及带状流自洽演化的物理过程。利用该程序，我们数值模拟了环向流对带状流的影响。模拟结果表明环向平衡流可以对带状流产生显著影响：测地声模的频率随环向马赫数增大而增加；测地声模的阻尼率随环向马赫数先增大再减小；残余带状流随环向马赫数增加而减小。NLT数值模拟的结果和解析理论符合的很好。同时数值模拟还发现，环向转动的离心力会产生平衡密度的极向不均匀性，从而引起的测地声模的m=1的边带模。由于环向平衡流可以通过外部手段加以控制，深入理解环向平衡流对测地声模影响的物理机制为通过控制环向平衡流影响测地声模进而控制湍流输运提供可能。