剪切流對(duì)雙撕裂模不穩(wěn)定性影響的MHD研究.pdf

1、近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)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(dòng)的發(fā)展，通過(guò)磁重聯(lián)在兩個(gè)有理面上產(chǎn)生的磁島相互驅(qū)動(dòng)并快速增長(zhǎng)，嚴(yán)重破壞了托卡馬克中磁場(chǎng)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(duì)雙撕裂模不穩(wěn)定性的控制已成為理論和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。其中，剪切流被認(rèn)為是最為可行的控制手段之一。剪切流普遍存在于各個(gè)托卡馬克裝置中，中性束注入和波驅(qū)動(dòng)等動(dòng)量輸入手段都有可能引起等離子體的

2、旋轉(zhuǎn)。在空間等離子體中，大陽(yáng)風(fēng)等太陽(yáng)活動(dòng)能夠造成等離子體的流動(dòng)而形成剪切流。因此，研究剪切流對(duì)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(jī)制和有可能引起的解穩(wěn)效果需要進(jìn)一步的討論。并且，由于需要考慮復(fù)雜的非線性過(guò)程，剪切流對(duì)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?jī)?nèi)容是剪切流對(duì)雙撕裂模不穩(wěn)定性的線性特征及非線性演化過(guò)程的影響。論文的基本

3、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(shuō)明雙撕裂模不穩(wěn)定性的基本特征，并簡(jiǎn)要的闡述剪切流對(duì)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(chǎng)位形、對(duì)稱剖面和反對(duì)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(dòng)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(duì)雙撕裂模不穩(wěn)定性線性特征的影響。驗(yàn)證雙撕裂模偶對(duì)稱模式和奇對(duì)稱

4、模式的存在。對(duì)比對(duì)稱剖面和反對(duì)稱剖面剪切流對(duì)雙撕裂模的影響，確立本文的研究重點(diǎn)為反對(duì)稱剖面剪切流。反對(duì)稱剖面剪切流對(duì)雙撕裂模的影響主要分為三個(gè)階段:弱剪切流通過(guò)扭曲磁島結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定（解穩(wěn)）偶（奇）對(duì)稱模式;在中等強(qiáng)度剪切流時(shí)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(qiáng)剪切流激發(fā)的開(kāi)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(dòng)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(dòng)程序模擬在弱剪切流和中等強(qiáng)度剪

5、切流時(shí)，在雙撕裂模演化過(guò)程中激發(fā)的帶狀流的產(chǎn)生機(jī)制以及帶狀流對(duì)磁島演化過(guò)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(duì)稱性質(zhì)導(dǎo)致帶狀流的產(chǎn)生。在弱剪切流時(shí)，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(duì)應(yīng)的勢(shì)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(duì)雙撕裂模全局磁重聯(lián)過(guò)程的影響十分微弱。在中等強(qiáng)度剪切流時(shí)，由于雙撕裂模的兩個(gè)本征模式之間發(fā)生交叉耦合，帶狀流對(duì)應(yīng)的勢(shì)能在線性增長(zhǎng)階段即呈現(xiàn)出振蕩增長(zhǎng)現(xiàn)象。并且中等強(qiáng)度剪切

6、流能夠減緩雙撕裂模的全局重聯(lián)過(guò)程，使非線性發(fā)展末期出現(xiàn)的爆發(fā)增長(zhǎng)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(dòng)程序模擬在強(qiáng)剪切流時(shí)開(kāi)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(guò)程。弱開(kāi)爾文-亥姆赫茲不穩(wěn)定性擾動(dòng)在進(jìn)入非線性發(fā)展階段后被帶狀流飽和并呈現(xiàn)阻尼趨勢(shì)。同時(shí)帶狀流修正平衡剪切流剖面，促進(jìn)雙撕裂模在湍流擾動(dòng)背景中的激發(fā)。此時(shí)雙撕裂模的本征結(jié)構(gòu)同時(shí)呈現(xiàn)理想不穩(wěn)定性和電阻撕裂模不穩(wěn)定性的結(jié)