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Statistical characteristics of turbulent transport dominated by zonal flow dynamics

帯状流のダイナミクスに支配された乱流輸送の統計的特性

松本 太郎; 岸本 泰明; Li, J.*

Matsumoto, Taro; Kishimoto, Yasuaki; Li, J.*

高温トカマクプラズマでは、さまざまな時定数及び特徴的長さを持つ乱流揺動と、それによって二次的に生成される帯状流及び一般化ケルビンヘルムホルツ等の大きな乱流構造とが、相互作用しつつ輸送過程に影響を及ぼす。このような時空間スケールが異なる揺らぎが混在している系における輸送の解析には、シミュレーションによる再現とともに、それらの揺らぎの特性をさまざまな側面から同定し、特徴付けることが重要である。本研究では、ジャイロ流体モデルを用いた電子温度勾配モード乱流の3次元スラブ配位シミュレーションを行い、異なる磁場及び温度勾配の条件の下で、帯状流の形成や間歇的な熱流束等の輸送特性と、揺動から得られる相関次元との関係を明らかにした。また、電場と圧力揺動とのクロススペクトル解析から、帯状流による乱流輸送の低減が、異なる二つの素過程に起因することを明らかにした。さらに、バイスペクトル解析から、帯状流に支配され乱流におけるモード間のエネルギー輸送に関して、一般化ケルビンヘルムホルツモードが主要な役割を担っていることを明らかにした。

Characteristics of ETG-driven turbulent transport dominated by zonal flows and nonlinearly generated large scale structures with low toroidal/poloidal wave numbers are investigated by gyro-fluid simulations in slab geometry. Main results found in this research are as follows. (1) The zonal flows change the characteristics of turbulence from "homogeneous" structure to "inhomogeneous" one, in which micro-scale vortices and nonlinearly generated macro-scale vortices coexist at different radial zones, exhibiting a two-scale nature in turbulence. (2) The fractal dimension is simultaneously reduced at any radial region with an increase of the ratio of zonal flow energy to that of total fluctuations, accompanied by the disappearance of exponential PDF tail of the heat flux. (3) The reduction of heat flux in strong zonal flow regime results from two mechanisms in the relation between poloidal electric field and pressure perturbation, i.e. the reduction of coherence in the zone of micro-scale vortices and the phase synchronization in that of macro-scale ones.

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