experiments on suppressing turbulence by zonal flows 2004 experimental proposal edge probe

Experiments on suppressing turbulence Experiments on suppressing turbulence by by zonal flowszonal flows

2004 Experimental Proposal2004 Experimental ProposalEdge ProbeEdge Probe

2/25/042/25/04

G.S.Xu, B.N.WanG.S.Xu, B.N.Wan

Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, P.R.ChinaInstitute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, P.R.China

**gsxu@ipp.ac.cngsxu@ipp.ac.cn

HT-7HT-7ASIPPASIPP

HT-7HT-7 上关于 上关于 Zonal Flows Zonal Flows 的的工作已经得到国际同行关注工作已经得到国际同行关注

POP POP PRL PRL ??

2002 2002 2003 2003 2004 2004

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• 已经完成的只是一个初步工作，计划开展已经完成的只是一个初步工作，计划开展更重要的工作。更重要的工作。

• 设计了新的实验来深化这一方向的研究。设计了新的实验来深化这一方向的研究。

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2004.1.16.2004.1.16. 的 的 PRLPRL 上发表了上发表了3D 3D 全环回旋流体全环回旋流体 ITG ITG 湍流模拟中第一次发现 湍流模拟中第一次发现 zonal flows zonal flows 的碰撞阻尼。的碰撞阻尼。这篇文章是对应于：这篇文章是对应于：1999.11.1.1999.11.1. 的 的 PRLPRL 上发表的 上发表的 Z.LinZ.Lin 的文章的文章3D 3D 全环回旋动力学全环回旋动力学 ITG ITG 湍流模拟中第一次发现 湍流模拟中第一次发现 zonal flows zonal flows 的碰撞阻尼。的碰撞阻尼。

可见可见，模拟给出了确定的结论：，模拟给出了确定的结论： ion-ion ion-ion 碰撞阻尼 碰撞阻尼 zonal flowszonal flows ，以及伴随，以及伴随周期周期性间歇爆发事件性间歇爆发事件。。

zonal flows zonal flows 动力学动力学带来的带来的湍流输运定标湍流输运定标受到了聚变界关注。受到了聚变界关注。2004.2.20. Liu Chen2004.2.20. Liu Chen 在 在 PRLPRL 上发表了 上发表了 zonal flows zonal flows 动力学带来的 动力学带来的 ** 湍流输湍流输运定标理论。运定标理论。这一这一理论理论是对应于：是对应于：2002.5.13.2002.5.13. Z.LinZ.Lin 在 在 PRLPRL 上发表的上发表的模拟模拟结果： 结果： zonal flows zonal flows 动力学带来新的 动力学带来新的 ** 湍流输运定标。湍流输运定标。

从 从 2004 2004 年头年头的两篇 的两篇 PRLPRL 可见：可见： ion-ion ion-ion 碰撞阻尼 碰撞阻尼 zonzonal flows al flows 以及以及 zonal flowszonal flows 动力学带来的湍流输运定标是动力学带来的湍流输运定标是热点热点

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为什么要提出 为什么要提出 zonal flows zonal flows 概念：概念：提供湍流饱和机制，解释约束经验定标提供湍流饱和机制，解释约束经验定标

*= i/a 定标：约束对装置尺寸的依赖毫无疑问是一个对实现聚变能十分敏感和重要的问题，它直接关系着经济可行性。

•因为缺乏一个基本的 first-principle 湍流输运理论，又需要预测未来聚变堆的约束性能，不得不求助于两者： 1 、经验定标率； 2 、混合长度估计。•大部分 ITG 湍流理论和通量管模拟都是基于混合长度估计，预言离子输运满足 gyro-Bohm 定标，因为他们假定湍流是微观尺度的。当用 gyro-Bohm 定标来设计反应堆时，它预言输运系数随装置尺寸增大而减小，这当然是好事。•然而，现今的大部分装置上发现， L 模下总是观察到 Bohm 或比 Bohm 更糟的定标。最近 JET 和 DIII-D 上的无量纲定标实验给出了 Bohm-like 定标的证据，虽然涨落测量表明湍流仍然是微观尺度的。•按照混合长度估计，出现 Bohm 定标表明湍流旋涡径向尺度随装置尺寸增大而增加，这样无规行走步长增加，湍动扩散增强。或者非扩散过程如大尺度输运事件（ SOC ）贡献了一部分输运。怎样解释观察到的 Bohm 和 gyro-Bohm 定标？

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Zonal flows 动力学提供了对 Bohm 和 gyro-Bohm 定标的合理解释全环回旋动力学模拟静电 ITG 湍流发现：无 zonal flows 时观察到 Bohm-like 定标，其原因是发现形成了一些径向拉长的湍流旋涡 (streamer 环形全局本征模结构 ) 。大尺度输运事件使输运尺度增大。有 zonal flows 时观察到全局模结构 streamer 被 zonal flows 的随机剪切所破坏，径向拉长的湍流旋涡被扭曲切断，导致涨落径向相关长度减小，湍流饱和水平减小。存在 zonal flows 时，无论装置尺寸大小，湍流在径向都是微观尺度。输运是扩散性质的，没有看到非扩散性质的输运过程。对于现今尺寸的装置展现出 Bohm-like 定标，对于未来大装置展现出 gyro-Bohm 定标，并逐渐过渡。

Streamer : 径向川流 & Zonal flows : 剪切层流

有 zonal flows 无 zonal flows

未来现今输

运系

数

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全环回旋动力学模拟结果挑战混合长度估计的可靠性。

混合长度估计的前提假定是：输运是扩散性质的。引入无规行走图象来描述扩散过程，把湍流径向相关长度（湍流旋涡径向尺度）作为粒子径向无规行走的步长，不稳定性的线性增长率作为步频。如果旋涡尺度随装置尺寸增大而增大，输运定标就是 Bohm-like B = T/eB ，如果旋涡尺度是微观的（小尺度，几倍 i ），不随装置尺寸变化，输运定标就是 gyro-Bohm GB = *B 。

全环回旋动力学模拟结果显示，当 zonal flows 被自持包含在湍流模拟中时，无论装置尺寸大小，湍流在径向都是微观尺度。输运是扩散性质的，没有看到非扩散性质的输运过程。如果按照混合长度估计，那么应该期望出现 gyro-Bohm 定标，实际上不然，对于现今尺寸的装置却展现出 Bohm-like 定标。当增加装置尺寸到未来大装置，逐渐过渡到 gyro-Bohm 定标。这些结果暗示通过经验定标率外推可能是不可靠的，因为定标可能是非线性的。

可见，引入 zonal flows 概念，有望建立一个 first-principle 湍流输运理论，能够合理解释观察到的经验输运定标。所以要提出 zonal flows 概念。

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zonal flows zonal flows 解释 解释 * * 定标和间歇爆发涨落定标和间歇爆发涨落密度极限仍然是遗留的关系聚变能实现的问题，而且至今不能被充分理解。ITG 模预言高密度下，梯度陡峭，ITG 不稳定性增长，增强输运。给出了高密度下约束变坏的一个解释。最近 DIII-D 、 C-Mod 上的 * 定标实验发现在 H 模下心部输运强烈依赖 * ，而在 L 模下依赖关系较弱。因为现在普遍认为通常心部输运主要来自静电湍流驱动，碰撞新经典输运贡献次要。为什么碰撞对输运有这么大的影响呢？包含 zonal flows 的全环回旋动力学 ITG 湍流模拟给出了一个可能解释。在高密度下，离子与离子之间的碰撞增加，碰撞能通过对 zonal flows 的新经典阻尼来增强湍流输运。 这也为 TFTR 心部观察到的密度涨落上的间歇爆发事件给出一个可能的解释。周期接近碰撞流阻尼时间。

ALCATOR

ASDEX

密度 碰撞 zonal flows 湍流 热输运动量输运

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zonalflows

离子 - 离子碰撞

ni

Ti

湍流

雷诺协强

剪切去相关

输运阻尼 驱动

驱动

抑制

Ti,ni

Pin

驱动

E,i*

阈值上移

ITG 湍流自调节动力学

zonal flows zonal flows 解释 解释 * * 定标定标

3D 全环回旋流体模拟指出

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farmer fork probefarmer fork probe

ion-ion ion-ion 碰撞阻尼 碰撞阻尼 zonal flowszonal flows

3 probe heads3 probe heads

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关于 关于 ion-ion ion-ion 碰撞阻尼 碰撞阻尼 zonal flows zonal flows 和间歇爆发事件的实和间歇爆发事件的实验验实验条件：密度从 1 爬坡到 >= 3 的高密度欧姆放电和密度 1.5 的低密度对比

实验。高密度下 ion-ion 碰撞阻尼强烈，可能清晰观察到间歇爆发事件。用 farmer fork probe 同时测量 : 极向长波长 EB 涨落流和湍流驱动的径向粒子通量 e

B

EV

ZFrZF

~~

B

nEnV

e

ere

~~~~~

From tips 1,2,3,4,5,6

From tips 7,8,9

除了 tip7 测 Is 之外其余 tips 测 f

Farmer fork probe 是在去年 forked probe 的基础上改进的，增加的三探针主要用来测量 e ，同时提供了径向三点电位测量，因此可以计算出 ZF 径向剪切率。

r

E ZFr

~

From tips 1,2,3,4,5,6,8,9

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金字塔探针实验提案

关于 zonal flows 的以往实验都是探测它的特征，还没有明确的实验证明它具有理论预言的剪切抑制湍流作用。

测量什么才能够实现证明目的？

zonal flows 是通过随机剪切抑制湍流输运的。它对应的物理量是涨落径向电场的径向梯度，也就是 zonal flows 剪切率

可见，理论家关心的是随时间变化的径向电场的径向梯度和湍流输运的相关性。

所以必须直接测量

这就要求探针在一个径向位置固定不动，测量出这一点的高时间分辨的 zonal flows 剪切率

tr

Er~

tr

Er~

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Pyramid probe 实验提案

要实现测量，必须在径向测三点，所以要设计三层探针。

探针 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 测量悬浮电位 f1… f5 ，探针 6 测量 Is

探针 2 ， 3 的中点电位 f23 = (f2+f3)/2

探针 4 ， 5 的中点电位 f45 = (f4+f5)/2

把探针布置成金字塔形是同时避免磁力线方向遮挡和极向遮挡。极向对称布置是因为，很清楚涨落在极向的相移是很大的，必须测量到极向同位置的径向三点电位才能够得到准确的径向电场梯度涨落。

223451 2

dr

Er

直接测量

用 f2 和 f3 可以计算 ，

加上 Is 可以计算 。

E~

e~

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Pyramid probe 实验提案

PRL 91065001(2003)

新分析方法：条件 PDF

如果能够得到类似这样的 PDF 分布，那就能得到 zonal flows 的径向剪切抑制湍动输运的结论。同理可以做对 的 PDF ，以及对 的 PDF ，证明 zonal flows 的径向剪切抑制湍流。 PDF 方法和频域方法比起来在处理 zonal flows 时间尺度的两量关系来有很大优势。

)(~te

tr

Er~

-8 -4 0 4 80

4

8

en~

f~

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Pyramid probe 实验提案

因为 Reynolds Stress 的径向梯度驱动极向流这个探针可以直接测量 用 1 、 2 、 3 针可以测量 Rs1用 2 、 3 、 4 、 5 可以测量 Rs2用 2 、 3 可以测量一个极向涨落相速度

用前面测量的 EB 速度

可以证明 Reynolds Stress 的径向梯度驱动 zonal flows 。 tr

Rs

tB

EtV r

BE

tV

-8 -4 0 4 80

4

8

新分析方法：条件 PDF

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交流偏压电极实验

理论预言 :1 、存在 zonal flows2 、 湍流产生 zonal flows3 、 zonal flows 抑制湍流使湍流处于自调节状态，达到合理饱和水平。从而解释输运定标。

1 、关于 zonal flows 是否能够抑制湍流，抑制定量能力，以及抑制定标关系，至今还没有任何实验。但这十分重要，因为它直接关系输运定标。

2 、现在之所以平均流剪切抑制理论被普遍接受，这与历史上直流偏压实验证明 Er 作用有直接因果关系。直流偏压实验 平均流剪切抑制湍流 实现 H 模

交流偏压实验 zonal flows 调节湍流 输运定标思路：用电极在边界激发一个与 zonal flows 定义完全相同的静电电位涨落场。

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交流偏压电极实验

湍流自生的 zonal flows ，其幅度、频率、径向剪切尺度很难通过改变参数来调节，所以很难进行定标研究其抑制湍流的能力。而用交流偏压直接外部激发一个与 zonal flows 定义完全相同的静电电位涨落场，这个场的幅度、频率、径向尺度都是可以简单外部调节的，非常适合进行定标研究。１、能够激发一个与 zonal flows 定义完全相同的静电电位涨落场因为电极头的径向长度很小 < 1 cm 。通过径向移动电极可以选择磁通管，电极电流提供电荷，对磁通管反复充放电。由于沿着磁力线的输运远快于横越磁面，所以很快电荷扩散到整个磁面，使被选择的磁通管达到接近等电位。而径向不同磁通管之间出现电压和径向电场。所激发的电场是受迫响应随时间变化。径向电导率的存在使径向电场的驰豫时间相对较长，因此涨落场能够存在，而且从激发点向内部和外部传播。就象在水里扔石子能够激发起涟漪类似。２、激发的涨落场的幅度、频率、径向尺度都可以简单外部调节因为偏压电源用的是 100 kW 中频电源，是成熟技术。两个频率 1 kHz 和 10 kHz ，电压 0 ~ 1000 V 可调，电流 0 ~ 100 A ，正弦交流。可随时投入随时切断。在电极头和限制器之间加电压，改变电极径向位置可以改变径向剪切尺度。因为是首次尝试可能会遇到很多困难，希望在这轮实验后期能够尝试一下。配合使用各种探针，具体的物理机制实验之后将给报告。

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气动石墨探针

万老师布置了任务：要做成可以在高功率加热下可靠使用的气动石墨探针。我们设计了一个结构，实现了要求。这还可以用作离子探针。希望常规测量。

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全面测量磁湍流

电子热输运即使在 H 模下也是高度反常的，存在 Te 分布 stiffness 、反弹，热脉冲径向反常高速传播，非扩散、非局域现象等许多与电子热输运有关的不解问题。磁湍流可能与电子热输运具有密切联系，上一轮实验磁湍流初步探测结果显示：在低比压下相对于静电湍流来说磁湍流对电子热输运和极向动量输运的贡献都小很多。这轮实验准备在高比压下，全面测量磁湍流在径向和极向的传播性质。在万老师指导下设计制作了四对磁探针的复杂结构，具有全封闭石墨屏蔽。

1 10 100

1E-6

1E-5

1E-4

1E-31E-6

1E-5

1E-4

1E-3

f -2

B_

flu/B

0

f ( kHz )

(b)

Br_

flu/B

0

r = -2 cm r = 1 cm

f -2

MHD

MHD

(a)

-3 -2 -1 0 1 2 30.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.50

5

10

15 e (

m2 s-1

)

r ( cm )

(d)

Bflu

/B0 (

10

-5 )

B_flu/B

0

Br_flu

/B0

Edge SOL

(c)

-2 0 2 4-5

-4

-3

-2

-1

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

<v r_

fluv

_flu>

( 10

6 m2 s-2

)r ( cm )

Edge SOL

( d )

<B

r_flu

B_

flu>

/m 0

( 10

6 m2 s-2

)

( c )

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实验条件

去年局部成像快速采集 H 诊断因为电子学系统通频带太窄，采集通道不同步等原因没有获得成功。今年改进了接线，目的在于减小分布电容的滤波作用，更换了新的采集系统，希望能够成功。这也是研究边界湍流结构的一项非常有用的诊断。

关于 zonal flows 的实验需要稳定欧姆放电，电流 100 ~ 120 kA ，密度扫描 1.5, 3 （如果可能增加 3 以上更高密度）。位移很平。探针扫描各 16 炮。需要 需要 >= 3 >= 3 高密度放电，主要是研究 高密度放电，主要是研究 zonal fzonal flows lows 的碰撞阻尼造成的周期间歇爆发事件的碰撞阻尼造成的周期间歇爆发事件磁湍流实验需要双波协同高参数。

石墨气动探针希望成为常规诊断。