剪切流對雙撕裂模不穩(wěn)定性影響的MHD研究.pdf

1、近年來，各國學(xué)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(yán)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(rèn)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

2、旋轉(zhuǎn)。在空間等離子體中，大陽風(fēng)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

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

4、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

5、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

6、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)