剪切流对双撕裂模不稳定性影响的MHD研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:CHENHUANHUAN7
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近年来,各国学者对普遍存在于托卡马克和空间等离子体中的双撕裂模不稳定性给予了广泛关注。随着双撕裂模不稳定性扰动的发展,通过磁重联在两个有理面上产生的磁岛相互驱动并快速增长,严重破坏了托卡马克中磁场的约束能力,并且在空间等离子体中导致了诸多爆发现象。因此,对双撕裂模不稳定性的控制已成为理论和实验研究的重点。其中,剪切流被认为是最为可行的控制手段之一。剪切流普遍存在于各个托卡马克装置中,中性束注入和波驱动等动量输入手段都有可能引起等离子体的旋转。在空间等离子体中,大阳风等太阳活动能够造成等离子体的流动而形成剪切流。因此,研究剪切流对双撕裂模的影响具有十分重要的意义。然而这方面的相关研究尚未完善,尤其是剪切流稳定双撕裂模的机制和有可能引起的解稳效果需要进一步的讨论。并且,由于需要考虑复杂的非线性过程,剪切流对于双撕裂模不稳定性演化发展所经历的不同阶段的影响需要更为深入的讨论。本文的主要研究内容是剪切流对双撕裂模不稳定性的线性特征及非线性演化过程的影响。论文的基本架构如下:第一章,主要介绍本文的研究背景和研究意义。概括地说明双撕裂模不稳定性的基本特征,并简要的阐述剪切流对双撕裂模影响的研究现状。第二章,主要介绍本文所使用的约化不可压缩磁流体模型、双电流片磁场位形、对称剖面和反对称剖面剪切流位形以及数值模拟中使用的本征值方法和初始扰动方法。第三章,采用约化不可压缩磁流体模型,利用本征值方法研究剪切流对双撕裂模不稳定性线性特征的影响。验证双撕裂模偶对称模式和奇对称模式的存在。对比对称剖面和反对称剖面剪切流对双撕裂模的影响,确立本文的研究重点为反对称剖面剪切流。反对称剖面剪切流对双撕裂模的影响主要分为三个阶段:弱剪切流通过扭曲磁岛结构以稳定(解稳)偶(奇)对称模式;在中等强度剪切流时发生的阿尔芬共振导致双撕裂模呈现解稳特征;强剪切流激发的开尔文-亥姆赫兹不稳定性与双撕裂模发生相互作用并影响系统扰动的发展特征。第四章,采用约化不可压缩磁流体模型,利用初始扰动程序模拟在弱剪切流和中等强度剪切流时,在双撕裂模演化过程中激发的带状流的产生机制以及带状流对磁岛演化过程的影响。研究发现剪切流破坏了双撕裂模本征结构的对称性质导致带状流的产生。在弱剪切流时,扭曲磁岛与带状流之间的非线性相互作用引起了带状流对应的势能在非线性发展阶段呈现出振荡发展的特征。然而弱剪切流对双撕裂模全局磁重联过程的影响十分微弱。在中等强度剪切流时,由于双撕裂模的两个本征模式之间发生交叉耦合,带状流对应的势能在线性增长阶段即呈现出振荡增长现象。并且中等强度剪切流能够减缓双撕裂模的全局重联过程,使非线性发展末期出现的爆发增长被缓解甚至抑制。第五章,采用约化不可压缩磁流体模型,利用初始扰动程序模拟在强剪切流时开尔文-亥姆赫兹不稳定性和双撕裂模不稳定性发生的非线性相互作用过程。弱开尔文-亥姆赫兹不稳定性扰动在进入非线性发展阶段后被带状流饱和并呈现阻尼趋势。同时带状流修正平衡剪切流剖面,促进双撕裂模在湍流扰动背景中的激发。此时双撕裂模的本征结构同时呈现理想不稳定性和电阻撕裂模不稳定性的结构特征。双撕裂模最终通过磁岛径向位置的交换完成全局磁重联并释放自由能。强开尔文-亥姆赫兹不稳定性扰动在中平面附近演化出的流体涡旋诱发了磁力线的重联。涡旋诱导磁重联持续整个非线性发展阶段并呈现平缓的自由能释放过程。中等强度的开尔文-亥姆赫兹不稳定性扰动的演化过程可以理解为弱开尔文-亥姆赫兹不稳定性和强开尔文-亥姆赫兹不稳定性之间的过渡情况。最后一章,给出全文的总结及对未来工作的展望。
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