發(fā)布時間：2020-11-16 23:40

　　 近年來,各國學者對普遍存在于托卡馬克和空間等離子體中的雙撕裂模不穩(wěn)定性給予了廣泛關(guān)注。隨著雙撕裂模不穩(wěn)定性擾動的發(fā)展,通過磁重聯(lián)在兩個有理面上產(chǎn)生的磁島相互驅(qū)動并快速增長,嚴重破壞了托卡馬克中磁場的約束能力,并且在空間等離子體中導(dǎo)致了諸多爆發(fā)現(xiàn)象。因此,對雙撕裂模不穩(wěn)定性的控制已成為理論和實驗研究的重點。其中,剪切流被認為是最為可行的控制手段之一。剪切流普遍存在于各個托卡馬克裝置中,中性束注入和波驅(qū)動等動量輸入手段都有可能引起等離子體的旋轉(zhuǎn)。在空間等離子體中,大陽風等太陽活動能夠造成等離子體的流動而形成剪切流。因此,研究剪切流對雙撕裂模的影響具有十分重要的意義。然而這方面的相關(guān)研究尚未完善,尤其是剪切流穩(wěn)定雙撕裂模的機制和有可能引起的解穩(wěn)效果需要進一步的討論。并且,由于需要考慮復(fù)雜的非線性過程,剪切流對于雙撕裂模不穩(wěn)定性演化發(fā)展所經(jīng)歷的不同階段的影響需要更為深入的討論。 本文的主要研究內(nèi)容是剪切流對雙撕裂模不穩(wěn)定性的線性特征及非線性演化過程的影響。論文的基本架構(gòu)如下： 第一章,主要介紹本文的研究背景和研究意義。概括地說明雙撕裂模不穩(wěn)定性的基本特征,并簡要的闡述剪切流對雙撕裂模影響的研究現(xiàn)狀。 第二章,主要介紹本文所使用的約化不可壓縮磁流體模型、雙電流片磁場位形、對稱剖面和反對稱剖面剪切流位形以及數(shù)值模擬中使用的本征值方法和初始擾動方法。 第三章,采用約化不可壓縮磁流體模型,利用本征值方法研究剪切流對雙撕裂模不穩(wěn)定性線性特征的影響。驗證雙撕裂模偶對稱模式和奇對稱模式的存在。對比對稱剖面和反對稱剖面剪切流對雙撕裂模的影響,確立本文的研究重點為反對稱剖面剪切流。反對稱剖面剪切流對雙撕裂模的影響主要分為三個階段：弱剪切流通過扭曲磁島結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定(解穩(wěn))偶(奇)對稱模式；在中等強度剪切流時發(fā)生的阿爾芬共振導(dǎo)致雙撕裂模呈現(xiàn)解穩(wěn)特征；強剪切流激發(fā)的開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性與雙撕裂模發(fā)生相互作用并影響系統(tǒng)擾動的發(fā)展特征。 第四章,采用約化不可壓縮磁流體模型,利用初始擾動程序模擬在弱剪切流和中等強度剪切流時,在雙撕裂模演化過程中激發(fā)的帶狀流的產(chǎn)生機制以及帶狀流對磁島演化過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)剪切流破壞了雙撕裂模本征結(jié)構(gòu)的對稱性質(zhì)導(dǎo)致帶狀流的產(chǎn)生。在弱剪切流時,扭曲磁島與帶狀流之間的非線性相互作用引起了帶狀流對應(yīng)的勢能在非線性發(fā)展階段呈現(xiàn)出振蕩發(fā)展的特征。然而弱剪切流對雙撕裂模全局磁重聯(lián)過程的影響十分微弱。在中等強度剪切流時,由于雙撕裂模的兩個本征模式之間發(fā)生交叉耦合,帶狀流對應(yīng)的勢能在線性增長階段即呈現(xiàn)出振蕩增長現(xiàn)象。并且中等強度剪切流能夠減緩雙撕裂模的全局重聯(lián)過程,使非線性發(fā)展末期出現(xiàn)的爆發(fā)增長被緩解甚至抑制。 第五章,采用約化不可壓縮磁流體模型,利用初始擾動程序模擬在強剪切流時開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性和雙撕裂模不穩(wěn)定性發(fā)生的非線性相互作用過程。弱開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性擾動在進入非線性發(fā)展階段后被帶狀流飽和并呈現(xiàn)阻尼趨勢。同時帶狀流修正平衡剪切流剖面,促進雙撕裂模在湍流擾動背景中的激發(fā)。此時雙撕裂模的本征結(jié)構(gòu)同時呈現(xiàn)理想不穩(wěn)定性和電阻撕裂模不穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)特征。雙撕裂模最終通過磁島徑向位置的交換完成全局磁重聯(lián)并釋放自由能。強開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性擾動在中平面附近演化出的流體渦旋誘發(fā)了磁力線的重聯(lián)。渦旋誘導(dǎo)磁重聯(lián)持續(xù)整個非線性發(fā)展階段并呈現(xiàn)平緩的自由能釋放過程。中等強度的開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性擾動的演化過程可以理解為弱開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性和強開爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性之間的過渡情況。 最后一章,給出全文的總結(jié)及對未來工作的展望。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TL631.24;O53
【部分圖文】：

目前人類已經(jīng)可以實現(xiàn)不受控制的核聚變反應(yīng)，如氧彈的爆炸。但人類要想聚變能，就必須能夠自主的控制聚變反應(yīng)的規(guī)模和速度，實現(xiàn)能量持續(xù)、�？墒牵a(chǎn)生可控核聚變的條件卻非常茍刻。在宇宙中，包括太陽在內(nèi)的個個巨大的核聚變反應(yīng)裝置，無休止的向外福射著光和熱。太陽的中心溫萬攝氏度，其巨大的壓力保證了核聚變持續(xù)正常的反應(yīng)。首先反應(yīng)氣體要的溫度使得電子脫離原子核，從而原子核能夠_由運動，這時反應(yīng)氣體電體[4]。其次兩個原子核要達到足夠近的距離實現(xiàn)聚變反應(yīng)，就必須克服同種間的庫倉力。因此，高溫高壓成為實現(xiàn)聚變反應(yīng)的必要條件。但是在地球力實難實現(xiàn)，我們只能通過提高反應(yīng)溫度來彌補，通過高溫使反應(yīng)原子核達到一個很高的水平，這就要求反應(yīng)溫度要達到上億度。而為了產(chǎn)生可利量，粒子密度與約束時間的乘積滿足如下關(guān)系[5]fn>\Q'^cm'-s ^，沒有任何一種材料能夠承受如此高的溫度，因此必須采用特殊的方法將束足夠長的時間來保證聚變反應(yīng)的順利進行。

這種環(huán)形的磁場把灸熱的等離子體托舉在空中，避免等離子體與任何有形的材料接觸。如圖1-2所示，托卡馬克的磁場為軸對稱螺旋磁場，通常由外加環(huán)向磁場（縱場）線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場和環(huán)向等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場迭加而成。在一般情況下，縱向磁場要比極向磁場大很多倍，這也是托卡馬克裝置與其它環(huán)形裝置的主要區(qū)別之一。在沒有擾動的平衡狀態(tài)下，托卡馬中的螺旋形磁場所形成的磁面是一系列如圖1-3所示的相互嵌套在一起的偏心環(huán)面。在磁面上，磁力線繞大環(huán)方面繞行的同時也在繞小環(huán)中心旋轉(zhuǎn)。通過截面中心回旋一周仍回到中心的那根磁力線通常被稱為磁軸。假設(shè)磁力線沿大環(huán)方向旋轉(zhuǎn)《圈的同時也沿小環(huán)方向轉(zhuǎn)了 m圈。當為有理數(shù)時，此磁面被叫做有理磁面，有理磁面上的磁力線能夠形成一條閉合磁力線。當/7/m為無理數(shù)時

圖1-5穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性示意圖。a)穩(wěn)定；b)不穩(wěn)定；C)線性不穩(wěn)定，非線性定以及d)線性穩(wěn)定，非線性不穩(wěn)定[13]。Fig. 1-5 Different types of stability, a) stable; b) unstable; c) linear unstable, nonlineastable and d) linear stable, nonlinear unstable'^'
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本文編號：2886799