EAST上的边界局域模周期里的湍流行为的模拟研究

The present and future magnetic confinement fusion devices will be operated in H-mode.However, the MHD instabilities, edge-localized modes (ELMs), also happen with H-mode. ELMs can lead to the large amount of energy flux flow out of the separatrix and go to the first wall and divertor targets, which will affect the steady-state operation of the fusion facilities. Therefore, we need to understand the physics of ELMs cycle. This proposal plans to use numerical methods of two-fluid and gyro-Landau-fluid turbulence module in BOUT++ to self-consistently simulate the turbulence behaviors in one ELM cycle in the realistic tokamaks, especially in EAST ELMy H-mode discharges. The main focus of this work is the study of the physics of the quasi-coherent fluctuation (QCF) which appears at the recovery phase during the ELM cycle. After that, we will try to simulate the whole ELM cycle from the turbulence perspective through the coupling between turbulnece and transport modules in BOUT++. The goal of this project is to develop a robust ELM model to understand and explain the edge experiments in EAST.

目前和未来的磁约束核聚变装置都要在高约束模的状态下约束等离子体。高约束模产生的同时也会产生了边界局域模（ELM），导致装置中约束的能量大量流出最外闭合磁面，从而打击到装置内壁以及偏滤器上，影响装置的稳定运行。因此需要对ELM的物理机制有清晰的了解。本项目利用BOUT++程序的双流体和回旋流体数值模拟的方法，模拟研究ELM周期中，特别是回复过程中的准相干扰动（QCF）的物理机制，以及在ELM周期中所起到的作用。在此基础上，通过耦合BOUT++的湍流模块和输运模块，从自洽的湍流行为模拟基础上实现ELM周期行为的整体描述。最终目的是能够用本项目开发的模型参与到EAST装置的边界局域模实验现象的理解和解释。

本项目针对边界局域模（ELM）的物理机制，产生的湍流以及之后的输运过程，对ELM周期中的各个物理过程和机制开展了研究。首先是基于ELM产生的物理机制开发了程序并开展模拟，再现了ELM产生的条纹结构，并计算了条纹结构的径向和极向运动速度，这些速度与EAST上可见光诊断的结果符合的较好，验证了我们的模型和程序的可靠性。在此基础上，我们针对ELM爆发之后产生的湍流行为进行了细致分析，给出了EAST上普遍存在的边界相干湍流的驱动机制及其形成过程，并探讨了其对边界热流的影响。接着我们详细研究了相干模与ELM之间的相互作用，给出了两者之间相互作用的物理机制，并提出了ELM被相干湍流抑制的物理机制。结合上面的成果，我们将ELM崩塌和湍流输运过程结合起来，给出了EAST上H模下的热流分布规律，并与多装置联合定标率实验结果一致，同时结合低杂波的电流驱动效应，模拟了EAST上热流分布宽度增加和打击点分裂的过程。与大连理工的同行合作针对HL-2A的ELM热流分布开展了模拟研究，给出了ELM引起的热流幅度与上游最外闭合磁面参数的相关性。最后，我们利用ELM与输运耦合程序开展了EAST上准雪花（QSF）偏滤器位形下的H模热流分布的模拟研究。