磁化等離子體雙等離子體衰變過程的數(shù)值模擬和理論研究.pdf

1、雙等離子體衰變在非磁化激光等離子體中已被廣泛研究，但是在托卡馬克磁化等離子體中，由于射頻波的功率相對較低，目前有關(guān)磁化等離子體雙等離子體衰變的理論和實(shí)驗(yàn)的研究都非常少。然而TEXTOR托卡馬克的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)200~600kW的電子回旋波加熱和電流驅(qū)動(dòng)穿越磁島時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀測到了強(qiáng)背散波以及離子加熱、加速的現(xiàn)象。電子回旋波的雙等離子體衰變能解釋這些現(xiàn)象，但當(dāng)前的線性理論表明該衰變過程因其高閾值功率而不可能發(fā)生，因此研究低閾值功率的磁化等離

2、子體雙等離子體衰變產(chǎn)生機(jī)制是有必要的。
　　本文在流體框架下，采用數(shù)值模擬和理論解析相結(jié)合的方法對磁化等離子體雙等離子體衰變過程展開研究。一方面，在二維平板模型下利用等離子體波的雙流體方程組，開發(fā)了在全時(shí)間和空間上研究雙等離子體衰變的并行程序。另一方面，采用弱模耦合近似的方法，解析地得到了磁化雙等離子體衰變過程的增長率和閾值功率的表達(dá)式。最后根據(jù)TEXTOR托卡馬克電子回旋波加熱的實(shí)際參數(shù)，通過并行程序結(jié)合解析結(jié)果計(jì)算了電子回旋波

3、的雙等離子體衰變過程。在并行程序中，首次實(shí)現(xiàn)雙流體方程的完全匹配層(PML)數(shù)值邊界條件。討論了PML方法在雙流系統(tǒng)中的可行性和適定性，詳細(xì)推導(dǎo)了PML控制方程。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和非線性方程的數(shù)值結(jié)果都表明，PML邊界是完全匹配的。數(shù)值結(jié)果同時(shí)顯示：PML的吸收效果與PML厚度和吸收系數(shù)直接相關(guān)；PML不影響計(jì)算區(qū)域內(nèi)部的物理過程；PML的吸收效果不受入射波功率強(qiáng)度和電子溫度的影響；PML的極大反射誤差小于1％。在理論解析工作中，著

4、重考察了高混雜子波波數(shù)、等離子體密度和磁場對雙等離子體衰變絕對不穩(wěn)定性和對流放大的影響。結(jié)果表明：磁場對絕對不穩(wěn)定性的影響依賴于子波垂直和平行于泵波傳播方向的波數(shù)ky和kx；磁場強(qiáng)弱和波數(shù)ky的大小對絕對不穩(wěn)定性增長率和對流放大的影響完全不同；磁場和密度在 kx較小時(shí)對放大因子有顯著影響；線性阻尼和密度空間非均勻性對對流放大有抑制作用；相對于磁場，密度的非均勻性對對流放大的影響更大。并行程序和閾值的解析結(jié)果計(jì)算均表明，在線性密度剖面下，

5、TEXTOR托卡馬克電子回旋波發(fā)生雙等離子體衰變的閾值功率為十兆瓦左右。并行程序在非單調(diào)密度剖面下的計(jì)算結(jié)果顯示，閾值功率可以降低1個(gè)量級，但仍無法解釋實(shí)驗(yàn)。若采用非單調(diào)密度剖面并考慮動(dòng)理學(xué)的修正效應(yīng)，并行程序計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙等離子體衰變閾值功率(約200kW)可以降低2個(gè)量級左右，能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。結(jié)合線性色散關(guān)系所示的子波俘獲效應(yīng)，本文的研究結(jié)果從理論角度證明，非單調(diào)的密度剖面和子波的俘獲效應(yīng)可以顯著降低磁化雙等離子體衰變的閾值功率，