本文關(guān)鍵詞： 磁流體不穩(wěn)定性高階諧波 等離子體極向旋轉(zhuǎn) 離子抗磁漂移效應(yīng)　出處：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：宏觀磁流體(Magnetohydrodynamic, MHD)模式是托卡馬克等離子體中所固有的不穩(wěn)定性模式,在特定有理面上由壓強(qiáng)和電流驅(qū)動(dòng)的MHD不穩(wěn)定模式將不可避免地被激發(fā),從而嚴(yán)重影響磁約束熱核聚變裝置(如托卡馬克、仿星器等)的約束性能。對(duì)托卡馬克等離子體約束具有破壞性的磁流體不穩(wěn)定性主要是電流在低模數(shù)有理面上驅(qū)動(dòng)的大尺度撕裂模不穩(wěn)定性,如在q=1有理面上發(fā)展起來(lái)的撕裂模不穩(wěn)定性會(huì)引起托卡馬克芯部的鋸齒振蕩。對(duì)于螺旋裝置(仿星器)等離子體,壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的交換模不穩(wěn)定性限制著等離子體比壓(β)極限,并且螺旋等離子體的芯部和離軸鋸齒坍塌的前兆振蕩也與m/n=1/1模、m/n=2/1模和m/n=3/2模有關(guān)。因此本文系統(tǒng)地研究了鋸齒重聯(lián)過(guò)程中q=1有理面上的撕裂模不穩(wěn)定性、微觀物理效應(yīng)對(duì)q=1有理面上高階諧波分量的影響、螺旋裝置等離子體中壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的交換模不穩(wěn)定性、以及等離子體極向旋轉(zhuǎn)對(duì)撕裂模和交換模不穩(wěn)定性的影響。論文的基本結(jié)構(gòu)和主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：第一章,簡(jiǎn)要介紹論文的研究背景和意義,概述磁流體不穩(wěn)定性的基本性質(zhì)以及等離子體旋轉(zhuǎn)對(duì)撕裂模和交換模不穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀。第二章,應(yīng)用簡(jiǎn)化磁流體模型研究極向等離子體旋轉(zhuǎn)剖面對(duì)圓柱等離子體中撕裂模和開爾文-亥姆霍茲(Kelvin-Helmholtz, KH)不穩(wěn)定性的影響。由于不同旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的剪切流對(duì)撕裂模和KH模具有不同的作用,因此可得到四個(gè)區(qū)間,即撕裂模解穩(wěn)區(qū)間、撕裂模穩(wěn)定區(qū)間、穩(wěn)定窗和KH模不穩(wěn)定區(qū)間。當(dāng)旋轉(zhuǎn)剪切層位于有理面外部時(shí),剪切流的穩(wěn)定作用增強(qiáng),穩(wěn)定窗區(qū)間增大。另外,在旋轉(zhuǎn)等離子體中撕裂模和KH�？梢砸l(fā)阿爾芬共振,當(dāng)位于不同共振位置的多層電流片相互耦合時(shí),流擾動(dòng)及渦量擾動(dòng)的剖面會(huì)被徑向展寬。第三章,應(yīng)用簡(jiǎn)化磁流體模型研究旋轉(zhuǎn)托卡馬克等離子體中離子抗磁漂移效應(yīng)對(duì)q=1有理面上高階諧波分量不穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)較弱的離子抗磁漂移流對(duì)q=1有理面上的高階諧波分量撕裂模有穩(wěn)定作用,而較強(qiáng)的離子抗磁漂移流可以激發(fā)q=1的高階諧波KH不穩(wěn)定性。離子抗磁漂移流對(duì)撕裂模的影響與極向剪切流不同,兩種流的協(xié)同作用與其相對(duì)方向有關(guān)。離子抗磁漂移流可以影響鋸齒重聯(lián)時(shí)間,即對(duì)于較弱的離子抗磁漂移流而言,鋸齒重聯(lián)時(shí)間隨著離子抗磁漂移流的增大而增大；且電阻率越小,重聯(lián)過(guò)程越慢,即重聯(lián)時(shí)間越長(zhǎng)。第四章,研究初始擾動(dòng)對(duì)plasmoids形成和鋸齒重聯(lián)的影響。詳細(xì)分析了不同電阻率情況下plasmoids形成的動(dòng)力學(xué)特性和相關(guān)的物理機(jī)制。發(fā)現(xiàn)減小電阻率可以有效增大高階諧波分量的能量,進(jìn)而產(chǎn)生plasmoids和一些復(fù)雜的流結(jié)構(gòu)。初始擾動(dòng)的隨機(jī)相位可以在二次磁島(plasmoids)、m/n=1/1模磁島、磁軸處原始的磁力線之間形成非對(duì)稱重聯(lián)。當(dāng)考慮高階諧波分量(m/n=2/2模)的較大幅值的初始擾動(dòng)時(shí),在非線性早期會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)m/n=2/2模磁島,然后并入m/n=1/1模磁島,這與HT-7托卡馬克觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致。最后研究了初始擾動(dòng)幅值及隨機(jī)相位對(duì)整個(gè)非線性演化過(guò)程的影響。第五章,采用簡(jiǎn)化磁流體力學(xué)模型研究了等離子體極向旋轉(zhuǎn)及壓強(qiáng)剖面對(duì)螺旋等離子體中撕裂模及交換模不穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)等離子體極向旋轉(zhuǎn)及壓強(qiáng)剖面局域展平都可以抑制交換模不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)。對(duì)于具有單個(gè)有理面的current carrying螺旋等離子體系統(tǒng),等離子體極向旋轉(zhuǎn)可以抑制撕裂模及交換模不穩(wěn)定性,然而較強(qiáng)的等離子體極向旋轉(zhuǎn)會(huì)激發(fā)KH模不穩(wěn)定性。對(duì)于具有兩個(gè)有理面的current carrying螺旋等離子體系統(tǒng),當(dāng)壓強(qiáng)梯度位于內(nèi)有理面時(shí),m/n=1/1模的增長(zhǎng)率更大,即壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的交換模在內(nèi)有理面更不穩(wěn)定；隨著β的增大,壓強(qiáng)梯度位于外有理面時(shí),t=1有理面上的高階諧波分量(如m/n=3/3模)交換模更不穩(wěn)定。當(dāng)剪切層位于內(nèi)有理面時(shí),等離子體旋轉(zhuǎn)對(duì)t=1有理面上各階諧波分量不穩(wěn)定性的穩(wěn)定作用最強(qiáng)；隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增大,剪切層在外有理面時(shí)對(duì)m/n=1/1模的抑制作用強(qiáng)于其在有理面之間的情況,且t=1的高階KH不穩(wěn)定性更容易被激發(fā)。對(duì)于currentless螺旋等離子體,隨著壓強(qiáng)局域展平寬度的增大,交換模不穩(wěn)定性逐漸被穩(wěn)定,且高模數(shù)交換模不穩(wěn)定性比低模數(shù)更容易被穩(wěn)定。最后是對(duì)本論文研究工作的總結(jié)以及對(duì)未來(lái)工作的初步展望。
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【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TL612
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本文編號(hào)：1475675