带状流的实验研究课件

带状流的实验研究带状流的实验研究带状流的实验研究1环形磁约束等离子体中带状流环形磁约束等离子体中带状流 在环形磁约束等离子体中，在环形磁约束等离子体中，ZFZF是本征模，它是由是本征模，它是由湍湍流流非线性相互作用产生非线性相互作用产生的，是线性稳定的，且不直的，是线性稳定的，且不直接驱动径向接驱动径向输输运。它与漂移波湍流一起，构成漂移波运。它与漂移波湍流一起，构成漂移波带状流系统。带状流系统。环形磁约束等离子体中带状流 在环形磁约束等离子体中，Z2低频带状流模特征低频带状流模特征涨落结构涨落结构 涨落流涨落流 频率频率自相关时间自相关时间径向波数径向波数径向相关长度径向相关长度阻尼率阻尼率:见右图，与碰撞区有关见右图，与碰撞区有关幅度幅度Hahm PPCF 42,A205低频带状流模特征涨落结构 涨落流3测地声模特征测地声模特征涨落结构涨落结构 流涨落流涨落频率频率自相关时间自相关时间径向波数及径向相关长度径向波数及径向相关长度:与与LFZF相同相同阻尼率阻尼率幅度幅度:与与LFZF相同相同 测地声模特征涨落结构 流涨落4HL-2AHL-2A托卡马克托卡马克大半径大半径1.65m，小半径，小半径0.40m。LFZF实验条件实验条件:氘等离子体氘等离子体。GAM实验条件实验条件:氢等离子体。氢等离子体。径向传播实验条件径向传播实验条件:氘等离子体。氘等离子体。HL-2A托卡马克大半径1.65m，小半径0.40m。5探针阵列与实验安排探针阵列与实验安排径向扫描范围径向扫描范围三三探针阵列可同时测量小探针阵列可同时测量小环向和极向模数的电势环向和极向模数的电势(或电场或电场)涨落的三维谱结涨落的三维谱结构构。己己忽略电子温度涨落忽略电子温度涨落对电对电势涨落测量势涨落测量的影响。的影响。探针阵列与实验安排径向扫描范围6电场涨落的测量电场涨落的测量电场涨落的测量7LFZFLFZF实验用的探针阵列实验用的探针阵列探针阵列探针阵列B中的三探针可中的三探针可用于测量电子温度、密度用于测量电子温度、密度和电位，以及它们的涨落和电位，以及它们的涨落量。量。探针探针A和和B相关相关用于用于测量极测量极向模数向模数m。探针阵列探针阵列B和和D相关用于测相关用于测量环向模数量环向模数n。探针探针1和和2相关用于测量径相关用于测量径向波数。向波数。LFZF实验用的探针阵列探针阵列B中的三探针可用于测量电子温8径向传播实验用的探针阵列径向传播实验用的探针阵列阵列和中径向位置相同的阵列和中径向位置相同的两探针相关用于测量涨落两探针相关用于测量涨落的环向模数。的环向模数。每个阵列中两相邻探针的每个阵列中两相邻探针的相关用于测量局域径向波相关用于测量局域径向波数谱数谱径向传播实验用的探针阵列阵列和中径向位置相同的两探针相关用于9LFZFLFZF实验研究现状实验研究现状较可信的实验数据较少较可信的实验数据较少大多数的实验数据都来自芯部等离子体大多数的实验数据都来自芯部等离子体(CHS,DIII-D)来自边缘等离子体的实验数据只显示存在来自边缘等离子体的实验数据只显示存在LFZF的迹象的迹象我们获得了边缘等离子体中我们获得了边缘等离子体中LFZF与与GAM共存的实验数共存的实验数据据LFZF实验研究现状较可信的实验数据较少10功率谱功率谱HL-2ACHSDIII-D功率谱HL-2ACHSDIII-D11极向和环向对称性极向和环向对称性HL-2Am=n=0CHSn=0DIII-Dm=0极向和环向对称性HL-2Am=n=0CHSn=0DIII-D12径向波数谱径向波数谱径向波数谱13径向相关径向相关CHS:径向波长径向波长DIII-D:径向相关长度径向相关长度径向相关CHS:DIII-D:14LFZFLFZF幅度幅度LFZF幅度远小于幅度远小于GAM幅度。幅度。芯区模拟和实验观测结果芯区模拟和实验观测结果表明，表明，LFZF幅度远大于幅度远大于GAM幅度。幅度。LFZFGAM PPCF 42,A205DIII-DLFZF幅度LFZF幅度远小于GAM幅度。LFZFGAM P152008年7月1日 第16页LFZFLFZF与湍流的相互作用与湍流的相互作用-双谱分析双谱分析LFZF的双谱系数远小于的双谱系数远小于GAM的双谱系数。的双谱系数。LFZF和和GAM的双相角近似的双相角近似为常数，与相互作用波频为常数，与相互作用波频率无关。率无关。该结果表明，该结果表明，LFZF和和GAM一样，与背景湍流均存在一样，与背景湍流均存在非线性耦合，但非线性耦合，但LFZF的耦的耦合强度较合强度较GAM的弱。的弱。2008年7月1日 第16页LFZF与湍流的相互作用-双16双谱系数之和双谱系数之和 LFZF的双谱系数和明显地的双谱系数和明显地比比GAM的弱，但其比值与的弱，但其比值与它们的幅度比一致。漂移它们的幅度比一致。漂移波波-带状流系统的双谱分析带状流系统的双谱分析理论预言，双谱系数之和理论预言，双谱系数之和与带状流幅度成正比，本与带状流幅度成正比，本实验结果与该预言定性一实验结果与该预言定性一致。致。is the number of triads satisfying双谱系数之和is the number of triads 17LFZFLFZF与湍流相互作用与湍流相互作用-包络调制包络调制湍流湍流和和GAM的幅度的幅度(包络包络)均被均被LFZF调制调制LFZF与湍流包络与湍流包络间存在反相角关系间存在反相角关系LFZF与与GAM包络间存在同相角关系包络间存在同相角关系LFZF与湍流相互作用-包络调制湍流和GAM的幅度(包络)18AT包络包络与与LFZF()()GAM包络和包络和LFZF()()LFZFLFZF与湍流相互作用与湍流相互作用-包络调制包络调制CHSAT包络与LFZF()LFZF与湍流相互19LFZFLFZF与改善约束与改善约束 DIII-D ETB CHS ITBLFZF与改善约束 DIII-20GAMGAM实验研究现状实验研究现状实验数据较多实验数据较多实验数据来自芯部和边缘等离子体实验数据来自芯部和边缘等离子体主要结果主要结果 1.1.极向和极向和环向对称性环向对称性 2.2.径向相关和径向相关和径向波数径向波数 3.3.频率与等离子体参数定标关系频率与等离子体参数定标关系 4.4.幅度径向分布幅度径向分布 5.5.径向传播特征径向传播特征 6.6.与湍流的非线性相互作用与湍流的非线性相互作用GAM实验研究现状实验数据较多21GAMGAM的极向和环向对称性的极向和环向对称性 谱的峰值极向和环向波数谱的峰值极向和环向波数波数与零的偏差可能是探针不在同一磁面上引起的波数与零的偏差可能是探针不在同一磁面上引起的GAM的极向和环向对称性 22极向对称性极向对称性(m=0)(m=0)估算估算两取样点两取样点(极向相距为极向相距为 )的信号间的互功率谱或的信号间的互功率谱或互相关系数，从互相关系数，从谱峰频率处的谱峰频率处的相移相移 或或相关系数相关系数峰值峰值的的延延迟时间迟时间 ，可求得极向模数可求得极向模数环向对称性环向对称性(n=0)(n=0)除除HL-2A外，均未测量外，均未测量T-10极向对称性(m=0)T-1023GAMGAM径向结构和传播特性径向结构和传播特性径向波数谱具有单峰结构，它表径向波数谱具有单峰结构，它表明明GAM波包以行波沿径向向外传波包以行波沿径向向外传播，且几乎没有驻波分量。播，且几乎没有驻波分量。GAM的径向波数是有限的，其径的径向波数是有限的，其径向峰值波数和波数宽度分别为：向峰值波数和波数宽度分别为：,与理论预言基本符合。与理论预言基本符合。GAM径向向外传播径向向外传播的相速度和群的相速度和群速度近似相等，与速度近似相等，与Xu的模拟结果的模拟结果定性一致，定性一致，与与Kishimoto的模拟结的模拟结果不完全一致果不完全一致。GAM径向结构和传播特性径向波数谱具有单峰结构，它表明GAM24Xu et al.,PRE 78,016406GAM径向结构与传播径向结构与传播Xu模拟结果模拟结果:GAM以相同的相速度和群以相同的相速度和群速度径向向外传播，其速速度径向向外传播，其速度由离子温度梯度决定，度由离子温度梯度决定，与本实验结果定性符合。与本实验结果定性符合。Xu et al.,PRE 78,016406GAM径向25Kishimoto et al.,IAEA2006Hallatchek et al.,PRL 86,1223GAM径向结构与传播径向结构与传播Kishimoto模拟结果模拟结果:GAM群速度群速度方向方向向向外外，相速度方向向内相速度方向向内，与本实，与本实验结果不符验结果不符。Hallatchek模拟结果模拟结果:GAM在径向具有驻波结在径向具有驻波结构，与本实验结果不符。构，与本实验结果不符。Kishimoto et al.,IAEA2006Hall26径向波数有限径向波数有限DIII-D 两径向相距约两径向相距约3cm3cm时时,相角差约为相角差约为T-10径向波数有限DIII-D 两径向相距约3cm时,T-1027GAMGAM径向结构和传播径向结构和传播JFT-2MJFT-2MJFT-2M 两点相关测量相位延迟，获得其径向分两点相关测量相位延迟，获得其径向分 布布，并由幅度径向分布并由幅度径向分布及公式及公式 定性地推出径向向外传播的结论。定性地推出径向向外传播的结论。Ido et al.,PPCF 48,S41(2006)GAM径向结构和传播JFT-2MJFT-2MJFT-2M 两28径向传播实验用的探针阵列径向传播实验用的探针阵列阵列和中径向位置相同的阵列和中径向位置相同的两探针相关用于测量涨落两探针相关用于测量涨落的环向模数。的环向模数。每个阵列中两相邻探针的每个阵列中两相邻探针的相关用于测量局域径向波相关用于测量局域径向波数谱数谱径向传播实验用的探针阵列阵列和中径向位置相同的两探针相关用于29幅度分布与环向对称性幅度分布与环向对称性幅度分布与环向对称性30径向波数谱径向波数谱径向波数谱31径向波数的径向分布径向波数的径向分布GAM径向径向波数波数随半径增大而随半径增大而减小减小GAM径向相速度随径向相速度随半径增大而半径增大而增大增大径向波数的径向分布GAM径向波数随半径增大而减小32双谱与包络调制双谱与包络调制GAM与与湍流包络的互相角为湍流包络的互相角为 ，且，且其其频率比局域的温频率比局域的温度度预言预言的频率大，它可能是从小半径处传播来的。的频率大，它可能是从小半径处传播来的。双谱与包络调制GAM与湍流包络的互相角为 ，且其频率比局33GAM的局域与非局域特性的局域与非局域特性GAM频率依赖于局域参数的情况频率依赖于局域参数的情况 这组数据是在这组数据是在Divertor(偏滤器偏滤器)位形下获得的位形下获得的GAM的局域与非局域特性GAM频率依赖于局域参数的情况34GAM频率频率不不依赖于局域参数的情况依赖于局域参数的情况GAM频率不依赖于局域参数的情况35模频率与参数关系模频率与参数关系ASDEX-U(Fujishawa et al.,IAEA2006)ASDEX-UJFT-2M例外情况例外情况:GAM:GAM频率不随局域频率不随局域的离子声速变的离子声速变化化!DIII-D模频率与参数关系ASDEX-U(Fujishawa et a36幅度的径向分布幅度的径向分布幅度峰值位置与频率平台区重合幅度峰值位置与频率平台区重合ASDEX-U幅度的径向分布幅度峰值位置与频率平台区重合ASDEX-U37幅度径向分布幅度径向分布 在在q=3有理面处幅度下降有理面处幅度下降(TEXTOR)幅度径向分布38幅度径向分布幅度径向分布 峰值幅度位于峰值幅度位于q=2有理面附近有理面附近T-10幅度径向分布T-1039幅度与温度梯度的关系幅度与温度梯度的关系ASDEX-U幅度与温度梯度的关系ASDEX-U40 GAMGAM与湍流非线性相互作用与湍流非线性相互作用It is believed that Zonal flows(ZF)are an important player in regulating turbulence and transport levels.This regulation occurs in two processes.1.ZF generation:It is driven by Reynolds stress in an energy-conserving triad interactions with turbulence,which transfers turbulence energy to the ZF.This process may be relevant to the amplitude modulation(AM)of turbulence.2.ZF shearing of turbulence:It nonlinearly transfers energy to the smaller radial scale turbulence.This process may be relevant to the frequency modulation(FM)of turbulence.It has been demonstrated by Holland et al*.that GAM shearing of turbulence induces a transfer of turbulence energy from low to high frequencies.*C.Holland et al,POP 14,056112(2007)GAM与湍流非线性相互作用It is believed t41GAM Modulates Turbulence EnvelopeGAM Modulates Turbulence EnvelopePower spectrum of fluctuation envelope and its coherency with GAM oscillation show envelope is modulated by the GAM.The phase delay of envelope with GAM is close to radian.The coherency between GAM and envelope is high().Anti-phase relation between envelope and GAM implies that the envelope modulation is accompanied with the GAM generation in energy-conserving triad interactions with turbulence.GAM Modulates Turbulence Envel42与湍流的非线性相互作用与湍流的非线性相互作用-包络调制包络调制(1)(1)1.1.密密度涨落的包络被度涨落的包络被GAM强的调强的调 制制;2.2.包络与包络与GAM的互的互相相关系数约为关系数约为 ;3.3.包络包络相相对于对于GAM的相位延迟约的相位延迟约 为为 ;4.McKee 4.McKee等人认为，等人认为，这这类类包络调包络调 制可能是由制可能是由GAM诱发的多普勒诱发的多普勒 频移引起的频移引起的。DIII-DMcKee et al.,PoP 19,1712(2003)McKee et al.,PPCF 45,A477(2003)Holland et al.,PoP 14,056112(2007)与湍流的非线性相互作用-包络调制(1)DIII-DMcKe43与湍流的非线性相互作用与湍流的非线性相互作用-包络调制包络调制(2)(2)1.1.在在JFT-2M上，也观测到密度涨落上，也观测到密度涨落 的包络被的包络被GAM强的调制强的调制;2.2.包络与包络与GAM的相关系数约为的相关系数约为 ，它们之间它们之间的相角差为的相角差为 ;3.3.谱分析表明，谱分析表明，GAM的的多普勒频移多普勒频移 不足以定量描述包络调制不足以定量描述包络调制;4.4.Ido及及Nagashima等人等人认为，认为，它可它可 能是在能是在GAM产生过程中对湍流的产生过程中对湍流的 直接调制直接调制。Ido et al.,NF 46,512(2006)Ido et al.,PPCF 48,S41(2006)Nagashima et al.PPCF 49,1611(2007)与湍流的非线性相互作用-包络调制(2)Ido et al.44GAM Modulates Turbulence EnvelopeGAM Modulates Turbulence EnvelopeFor envelope modulation,coherency and phase delay are observed to be similar to these measured on DIII-D:coherency is low(less than 0.3)and phase delay is close to ,which is different from these of envelope modulation.Question:Does this difference reflect different aspects of nonlinear interactions between GAM and turbulence?Er vs Envelope of Er#4206GAM Modulates Turbulence Envel45相位和幅度调制对湍流的影晌相位和幅度调制对湍流的影晌GAMGAM的的径向电场径向电场振荡，振荡，使使湍流湍流产产生振荡的多普勒生振荡的多普勒频频移，移，即即 ，并因此产生并因此产生相相位振荡位振荡 ，它就是通讯工程中熟知，它就是通讯工程中熟知的相位调制，的相位调制，其相位调制度其相位调制度 是频率的函数，且随频率而增大。是频率的函数，且随频率而增大。因为因为 ，当当 时时，它是窄带调制，它只产生它是窄带调制，它只产生 上下边带，与幅上下边带，与幅度调制等价。度调制等价。对于宽带湍流，对于宽带湍流，它是宽带，它是宽带 调制，主要使湍流频谱随机展宽。调制，主要使湍流频谱随机展宽。如右图所示，如右图所示，它是按下式计算的它是按下式计算的:。相位和幅度调制对湍流的影晌GAM的径向电场振荡，使湍流产生振46Using Model Signal for Examining Using Model Signal for Examining the AM and PM Effect of GAM on Turbulencethe AM and PM Effect of GAM on TurbulenceModel signals,as following,are used to simulate effect of the AM and PM of GAM on turbulence.Here,is taken from a shot without the GAM,the PM index is taken from a shot with the observed GAM,and is the AM index.The model signals with and simulate the PM and AM effect respectively,while the signal with simulates the combined AM and PM effect.Using Model Signal for Examini47Using Model Signal for Examining Using Model Signal for Examining the AM and PM Effect of GAM on Turbulencethe AM and PM Effect of GAM on TurbulenceThe coherency and phase delay for the PM are found to be similar to those of experimental observation for the envelope modulation.In the case of combined AM and PM with ,the phase delay is close to and the coherency is larger than 0.5,which is consistent with our experimental result for the and envelope modulations.These results suggest that the observed modulation of and envelope is mainly induced by GAM regulation of turbulence during the GAM generation in triad interactions.Using Model Signal for Examini48Holland et al.,APS2005Holland et al.,APS200549Using Model Signal for Examining Using Model Signal for Examining the AM and PM Effect of GAM on Turbulencethe AM and PM Effect of GAM on TurbulenceThe model signal for simulating the PM effect of GAM is used to calculate nonlinear energy transfer Simulation results show qualitatively similarity to those calculated by Holland et al.for experimental data,which quantifies that the shearing effect of GAM leads a cascade to higher frequencies.49th APS-DPP,Orlando,Florida,U.S.A.November,2007 Changxuan Yu Holland*C.Holland et al,Phys.Plasma 14,056112(2007)Using Model Signal for Examini50Strong Nonlinear Triad Interactions Strong Nonlinear Triad Interactions Observed in BicoherenceObserved in BicoherenceStrongest nonlinear coupling appears in all summed cross-bicoherences involving the Reynolds stress and auto-bicoherences.All cross-and auto-bicoherences for interactions of GAM with ambient turbulence(AT)exhibit a peaked feature,which was also observed previously on TEXT*.This peaked feature might reflect the resonance property in the nonlinear coupling between the GAM and AT.peakedfeature*H.Y.W.Tsui et al,Phys.Rev.Lett.70,2565 Strong Nonlinear Triad Interac51三波相互作用的共振特性三波相互作用的共振特性三波相互作用的频率和波数匹配条件三波相互作用的频率和波数匹配条件高频波与低频波相互作用高频波与低频波相互作用:当高频波的群速度等于低当高频波的群速度等于低频波的相速度时，耦合效率最高频波的相速度时，耦合效率最高。GAMGAM与湍流相互作用的频率和波数匹配条件与湍流相互作用的频率和波数匹配条件 (当当 时时)(Kadomtsev et al.,Sov.Phys.-Usp.14,40)三波相互作用的共振特性三波相互作用的频率和波数匹配条件(Ka52Resonance Feature Observed in Interactions between Resonance Feature Observed in Interactions between GAM and AT GAM and AT Both amplitude modulation index and bicoherence for interactions between GAM and AT show a similar behavior of peaked feature.For interactions of GAM and AT,resonance condition of and need not to be satisfied perfectly,and bicoherence for each triadic frequencies is averaged over the broad wavenumber space.In this case,the resonance function,defined as ,influences strength of triad interaction.The resonance function estimated from experimental data exhibits a similar peaked feature.Resonance Feature Observed in 53