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。在空間等離子體中，大陽風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構以穩(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構的對稱性質(zhì)導致帶狀流的產(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構同時呈現(xiàn)理想不穩(wěn)定性和電阻撕裂模不穩(wěn)定性的結