L-H模转换动力学中振荡流与湍流相互作用实验研究

It is an important topic to study the low to high confinement mode (L-H) transition mechanism in ITER physics, which is relevant to the H-mode power threshold scaling and the H-mode operation optimization. This project focuses on studying interaction between oscillating flows and turbulence in L-H transition dynamics at the HL-2A tokamak. The research includes the phase bifurcation between oscillating flows and turbulence, and dependence of oscillating frequency on the boundary plasma parameters, which can further improve understanding of the oscillating flows. We study the causality between turbulence and pressure gradient driven flows and the radial electric field, analyze the spatial structure of multi-scale fluctuation mode and turbulence interaction. We explore the energy transfer in slow and fast L-H transition phases using the energy transfer entropy, which can confirm the existence of turbulence energy accumulation and its critical role in the transition to high confinement mode. These study are of great significance in further revealing the interaction between oscillating flows and turbulence and its impact on the L-H transition mechanisms.

磁约束聚变等离子体从低约束模到高约束模(L-H) 转换的机制是ITER物理中最重要的研究课题之一, 它对ITER和将来的聚变堆的H模功率阈值定标和H模运行优化具有非常重要的意义。本项目拟在 HL-2A装置上开展L-H转换动力学中的振荡流与湍流相互作用实验研究; 研究振荡流与湍流的相位分叉现象,寻找振荡流频率与边界等离子体参数的依赖关系, 探索其物理机理以加深对振荡流物理本质的理解; 研究湍流、压强梯度驱动的流与电场振荡之间的因果关系, 分析多尺度涨落模式与湍流相互作用的空间结构及其在抑制湍流输运中的作用; 采用新的能量转移熵算法证实能量转移的方向, 研究L-H的慢和快过程中的湍流能量转移熵，分析湍流净能量对约束模式转换的作用，寻找在模式转换之前是否存在能量集聚过程，研究其空间结构特征及在L-H模式转换中的作用。这些研究对深入揭示振荡流与湍流相互作用及其在约束模式转换中的影响具有重要的意义

项目按照计划开展和实施了有关研究工作，顺利完成各项研究任务。项目执行中瞄准国际前沿物理问题，重点突破，将研究重点关注在L-H转换过程中多尺度相互作用的物理机理上，包括振荡流与湍流相互作用、低频剪切流与湍流相位分岔、密度梯度与粒子输运耦合、湍流非线性耦合形成大尺度涨落结构、低频振荡流与湍流之间能量转移、振荡流调制靶板粒子流等研究。通过本项目的实施，掌握了L-H转换中不同空间尺度振荡流的特征；研究湍流、带状流和压强梯度之间的时序变化，弄清了多尺度涨落与湍流相互作用在抑制湍流输运中的作用；研究了低频振荡流与湍流的相位分岔现象，阐明低频振荡流和平衡剪切流的协同效应对抑制湍流输运的作用；研究台基区域湍流的非线性耦合过程，指出高频湍流的三波相互作用是形成径向大尺度结构的物理机制；通过外部手段改变湍流与带状流自组织系统，发现湍流向带状流的能量转移是导致带状流增强的主要原因，对双猎物-狩猎物理模型的理解进一步加深；理论计算大尺度径向振荡流引起热输运与实验结果符合较好，深化对高频径向振荡流影响湍流输运物理机制的理解。项目的实施提升了国内现有磁约束聚变等离子体边界湍流、湍流输运以及高约束模式物理的研究水平，缩短了我国与先进国家在磁约束等离子体湍流输运研究领域之间的差距，培养的人才具有独立从事相关工作的能力，使他们在未来磁约束聚变等离子体边界湍流及约束模式转换的物理研究中起到举足轻重的作用，为优化等离子体的实验方案，探索约束模式转换的物理机制以及优化控制H模等离子体的性能提供重要的参考依据。