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論文

Correction method of measurement volume effects on time-averaged statistics for laser Doppler velocimetry

和田 裕貴; 古市 紀之*; 辻 義之*

European Journal of Mechanics B, Fluids, 91, p.233 - 243, 2022/01

A new correction method of LDV (Laser Doppler Velocimetry) measurement volume effects on the time-averaged velocity statistics is proposed by considering the PDF (Probability Density Function) of streamwise fluctuating velocity and the streamwise cross-sectional area of the measurement volume. It is fundamentally different from the previous method using a laser intensity profile of LDV. We propose a simple equation to correct the measurement volume effects. Using this equation and calculating precisely both the measurement locations and the measurement volume, the correction of measurement volume effects on the time averaged statistics can be performed based on the LDV measurement data. From a comparison with correction method proposed by Durst et al. (1995), the present correction method provides almost same result with Durst method, and then the validity and applicability to higher Reynolds number or lower spatial conditions of two correction methods are confirmed.

論文

Coherent eddies transporting passive scalars through the plant canopy revealed by Large-Eddy simulations using the lattice Boltzmann method

渡辺 力*; 高木 鞠衣*; 下山 宏*; 川島 正行*; 小野寺 直幸; 稲垣 厚至*

Boundary-Layer Meteorology, 181(1), p.39 - 71, 2021/10

速度場とスカラー場に対する二つの分布関数を用いた格子ボルツマン法を用いて、植生キャノピー内およびその上部における、パッシブスカラを含む流れのラージエディ・シミュレーションを実施した。植物キャノピーが分散型シンクとして機能するトップダウンスカラーの場合、キャノピー上面のスカラー流束は、はるか上方から発生するキャノピーへ侵入する流れ(スイープ)により決定される。一方で、キャノピーからスカラーが放出される現象は、キャノピー上部で発生する渦により引き起こされる。本論文では、この様な渦の発生は、キャノピー上方からの大規模なスイープと、キャノピー内部の幅広い範囲での放出現象が接近することで引き起こされることを明らかとした。

論文

Self-organization of zonal flows and isotropic eddies in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 小川 雄一*; 山田 弘司*

Physics of Plasmas, 27(8), p.082302_1 - 082302_11, 2020/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:27.66(Physics, Fluids & Plasmas)

弱磁気シアにおける大域的ジャイロ運動論モデルに基づいてトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。大域的分布効果のために高トロイダルモード数nのトロイダルETGモードは外側の磁気面で励起され、強い線形分散をもたらす。この結果得られる非等方な波-乱流境界とエネルギー逆カスケードが帯状流の自己組織化を生成する。これは大域的ジャイロ運動論モデル特有の機構である。この自己組織化はランダムノイズによって初期化した減衰乱流とトロイダルETG乱流の両方で確認された。また、イオン電子温度比と乱流強度が決める臨界パラメータによってこの自己組織化過程が帯状流と等方的渦を生成することも示した。

論文

Isotope and plasma size scaling in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 26(12), p.120703_1 - 120703_5, 2019/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:27.41(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文では大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流が支配的な水素(H)および重水素(D)のLモードプラズマにおける水素同位体と規格化ジャイロ半径$$rho^*$$の影響を示す。断熱応答電子を用いたイオン加熱数値実験では、エネルギー閉じ込め時間はBohm的な$$rho^*$$スケーリングで決まり、水素同位体質量依存性は見られない。運動論的電子を用いた電子加熱数値実験は電子からイオンへの衝突性エネルギー移行に対する同位体効果に起因する明確な同位体質量依存性を示し、約1.4倍の加熱パワー比でH, Dプラズマは同様のイオン,電子温度分布を示す。H, Dプラズマの規格化無衝突イオンジャイロ運動論方程式は$$rho^*$$が同じ場合に等価となり、ITG乱流に対する衝突効果も弱い。このため、水素同位体質量依存性は主に$$rho^*$$スケーリングと加熱源によって決まる。

論文

Toroidal angular momentum balance during rotation changes induced by electron heating modulation in tokamak plasmas

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 24(8), p.080701_1 - 080701_5, 2017/08

AA2017-0264.pdf:1.52MB

 被引用回数:6 パーセンタイル:45.29(Physics, Fluids & Plasmas)

大域的full-fジャイロ運動論モデルに基づく電子加熱変調数値実験から、電子加熱によるイオン温度勾配駆動(ITG)乱流から捕捉電子モード(TEM)乱流への遷移が密度勾配の急峻化とプラズマ回転の変化をもたらすことを示した。回転変化時のトロイダル角運動量バランスをトロイダル角運動量保存則の直接観測によって明らかにし、イオン系の乱流応力に加え、イオン系の新古典応力、径方向電流、イオン系と電子系のトロイダル電場応力が重要となることを示した。ITGフェーズとTEMフェーズにおけるトロイダルトルクの反転はイオン系方向電流の反転によるものであり、これは粒子輸送と運動量輸送の相互作用であることを明らかにした。イオン系と電子系の径方向電流は両極性条件を満たすようにバランスし、電子系の径方向電流は電子系のトロイダル電場応力によって打ち消される。これは電子系のトロイダル電場応力が間接的にトロイダルトルクに影響していることを示す。

論文

Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Nuclear Fusion, 57(6), p.066036_1 - 066036_10, 2017/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:51.38(Physics, Fluids & Plasmas)

電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。

論文

Impact of plasma parameter on self-organization of electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也*; 小川 雄一*

Physics of Plasmas, 24(4), p.042303_1 - 042303_13, 2017/04

AA2017-0111.pdf:7.14MB

 被引用回数:2 パーセンタイル:15.91(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動シミュレーションとHasegawa-Mima (HM)方程式に基づいてスラブ電子温度勾配駆動(ETG)乱流の自己組織化を調べた。自己組織化乱流構造のスケールと異方性は、Rhinesスケールと、HM方程式の断熱応答項によって与えられる特徴的なスケールによって変化する。前者は線形波分散と非線形乱流カスケードの競合によって決定され、後者は乱流カスケードが妨げられるスケールとして与えられる。これらのスケールは、密度勾配、温度勾配、イオンと電子の温度比などのプラズマパラメータによって制御される。プラズマパラメータに依存して、ETG乱流は大きく異なる輸送レベルを与える等方的乱流、もしくは、帯状流のいずれかを示すことがわかった。プラズマパラメータにかかわらず変調不安定性が帯状流を励起するが、最終的な乱流構造は自己組織化過程によって決定される。

論文

Cross-scale interactions between electron and ion scale turbulence in a tokamak plasma

前山 伸也*; 井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Physical Review Letters, 114(25), p.255002_1 - 255002_5, 2015/06

 被引用回数:68 パーセンタイル:95.12(Physics, Multidisciplinary)

実イオン・電子質量比かつ実$$beta$$値のマルチスケールジャイロ運動論的乱流シミュレーションをはじめて実現した。ここで、$$beta$$値はプラズマ圧力と磁気圧の比によって与えられ、微視的不安定性に対する電磁効果を特徴付ける。電子・イオンスケールのスケール間相互作用を明らかにするために両スケールにおける数値解析を行った。実質量比のスケール分離があっても、イオンスケール乱流が電子スケールストリーマを消去し、イオンだけでなく電子の熱輸送も支配する。また、イオンスケールモードが有限$$beta$$効果によって安定化される場合には乱流輸送への電子スケールダイナミクスの寄与は無視できなくなり、イオンスケール乱流輸送を増大させることがわかった。

論文

Observation of the interaction between the geodesic acoustic mode and ambient fluctuation in the JFT-2M tokamak

井戸 毅*; 三浦 幸俊; 星野 克道; 神谷 健作; 浜田 泰司*; 西澤 章光*; 川澄 義明*; 小川 宏明; 永島 芳彦*; 篠原 孝司; et al.

Nuclear Fusion, 46(5), p.512 - 520, 2006/05

 被引用回数:80 パーセンタイル:93.3(Physics, Fluids & Plasmas)

重イオンビームプローブ(HIBP)によるポテンシャル揺動と密度揺動の同時計測により、JFT-2Mトカマクの静電揺動スペクトルと揺動粒子束を明らかにした。周波数約15kHzのコヒーレントな測地的音波モード(GAM)をLモード中に同定した。このモードはセパラトリクスから約3cm内側の位置でピークを持ち電場強度が約1.4kV/mである。算出した乱流揺動粒子束は間欠的であることがわかった。密度揺動は、広帯域にわたってGAMにより変調されており、算出した揺動粒子束もGAMの影響をうけていることがコヒーレンス解析で判明した。Hモードでは、GAMが消え、揺動,揺動粒子束も大きく減少している。算出された大きな間欠的バースト的粒子束の原因解明は今後の課題である。

論文

Bispectral analysis applied to coherent floating potential fluctuations obtained in the edge plasmas on JFT-2M

永島 芳彦*; 伊藤 公孝*; 伊藤 早苗*; 藤澤 彰英*; 星野 克道; 高瀬 雄一*; 矢木 雅敏*; 江尻 晶*; 居田 克巳*; 篠原 孝司; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(4), p.S1 - S15, 2006/04

 被引用回数:33 パーセンタイル:75.73(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mトカマクのオーミック加熱プラズマの浮遊ポテンシャル揺動にバイスぺクトル解析を適用した結果について述べる。最外殻磁気面の内側で浮遊電位揺動中に帯状流の一種と考えられている測地的音波の周波数を持つコヒーレントなモードが観測された。二乗バイコヒーレンスの計算によりそのコヒーレントな揺動と背景揺動(ドリフト波乱流揺動を含むと推定)の間に有意な非線形結合が示された。全バイコヒーレンスは、コヒーレントなモードの振幅の2乗に比例していること、及びコヒーレントなモードは一定値$$pi$$のバイフェイズを持つことなどの測定結果は、長谷川-三間モデルによるドリフト波-帯状流系の理論的予測と整合することがわかった。

論文

Geodesic-acoustic-mode in JFT-2M tokamak plasmas

井戸 毅*; 三浦 幸俊; 神谷 健作; 浜田 泰司*; 星野 克道; 藤澤 彰英*; 伊藤 公孝*; 伊藤 早苗*; 西澤 章光*; 小川 宏明; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(4), p.S41 - S50, 2006/04

 被引用回数:119 パーセンタイル:96.8(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mトカマクにおいて重イオンビームプローブ(HIBP)を用いてプラズマ内部における測地的音波モード(Geodesic Acoustic mode, GAM)に伴うポテンシャル揺動及び密度揺動の同時計測を行った。ポテンシャル揺動はプラズマ境界内側で極大値を持っていること,この構造内で周波数はほぼ一定であること,このモードが径方向へ伝播していること、及びGAMが背景乱流に影響を及ぼしていることなどを明らかにした。背景乱流への影響の程度は理論モデルの予測とほぼ一致していることがわかった。

論文

Global profile effects and structure formations in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Nuclear Fusion, 45(12), p.1571 - 1581, 2005/12

 被引用回数:38 パーセンタイル:76.55(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動論的グローバルトロイダルコードを用いて正磁気シア及び反転磁気シアトカマクにおけるトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。非線形乱流状態において正磁気シア及び反転磁気シア配位におけるETG乱流は全く異なる構造形成を示す。正磁気シア配位においては、ETG乱流はバルーニング構造を示すストリーマにより支配され、電子温度$$T_e$$分布は乱流の時間スケールで急速に緩和し臨界安定状態に至る。反転磁気シア配位においては、正磁気シア領域がストリーマで特徴付けられるのに対し、負磁気シア領域では準定常な帯状流が生成される。この結果、電子熱拡散係数$$chi_e$$$$q_{min}$$面をまたがってギャップ構造を形成し、温度勾配は臨界安定より上の状態で準定常に長時間維持される。これらの結果は、正磁気シアトカマクにおける$$T_e$$分布の硬さ、及び、反転磁気シア配位における$$T_e$$輸送障壁形成の可能性を示唆している。

論文

Observation of nonlinear coupling between small-poloidal wave-number potential fluctuations and turbulent potential fluctuations in Ohmically heated plasmas in the JFT-2M tokamak

永島 芳彦*; 星野 克道; 江尻 晶*; 篠原 孝司; 高瀬 雄一*; 都筑 和泰; 上原 和也; 川島 寿人; 小川 宏明; 井戸 毅*; et al.

Physical Review Letters, 95(9), p.095002_1 - 095002_4, 2005/08

 被引用回数:97 パーセンタイル:92.95(Physics, Multidisciplinary)

JFT-2Mトカマクのオーム加熱プラズマの周辺部で、高速駆動静電プローブにより、ポテンシャル揺動スペクトルを測定した。その結果、二種類のコヒーレントな静電揺動(約1kHzと10-15kHz)を初めて見いだした。これらのモードは、最外殻磁気面の内側に存在する。このうちの高周波のモードは測地的音波(GAM)の特徴を有する。しかし低周波のモードは測地的音波かどうか不明である。バイスペクトル解析により、これらの静電揺動と背景乱流揺動にはパラメトリック変調的な非線形結合がみられることがわかった。すなわち、高周波のGAMモードや背景乱流はこの低周波のモードで変調を受けている(さらに背景乱流はGAMモードからも変調されている)ことを初めて見いだし、この低周波モード(周波数約1kHz)が非線形的に乱流輸送に影響を与えていると推定されることを初めて示した。

論文

Comparisons of gyrokinetic PIC and CIP codes

井戸村 泰宏; 岸本 泰明; 徳田 伸二

Europhysics Conference Abstracts (CD-ROM), 29C, 4 Pages, 2005/00

ジャイロ運動論シミュレーションはトカマクの乱流輸送を研究するうえで必要不可欠なツールとなっている。$$delta f$$PICコードあるいは粒子法は標準的な手法となってきたが、現実的な長時間の乱流シミュレーションにおいて重要となる熱源や衝突といった非保存系の効果の実装が難しい。一方、Vlasovコードあるいは格子法はこういった点でより柔軟な拡張性がある。本研究では新しいジャイロ運動論的Vlasovコードを最近の先進的なCFDスキームの一つであるCIP法を用いて開発した。ITG乱流シミュレーションにおいてジャイロ運動論的PIC/CIPコードの数値特性及び計算コストを比較した。

報告書

Global characteristics of zonal flows generated by ion temperature gradient driven turbulence in tokamak plasmas

宮戸 直亮; 岸本 泰明; Li, J.

JAERI-Research 2004-010, 18 Pages, 2004/08

JAERI-Research-2004-010.pdf:4.55MB

トカマクプラズマの閉じ込め改善には帯状流による乱流輸送の抑制が不可欠である。トカマクプラズマ中の帯状流の性質は安全係数により変わることが知られていたが、そのグローバルな変化と乱流との相互作用は調べられていなかった。グローバル電磁ランダウ流体コードを用いて、イオン系の乱流輸送を支配していると考えられるイオン温度勾配乱流とそれによって生成される帯状流との間の相互作用をプラズマ全体にわたって解析した。帯状流が静的な安全係数が低い領域では乱流は効果的に抑制される。一方、帯状流が振動する安全係数が高い領域では、帯状流のエネルギーがポロイダル非対称な圧力揺動を介して乱流に輸送されるため、乱流はあまり抑制されない。

論文

Reconstruction of wavenumber spectra of plasma turbulence in microwave reflectometry

Bruskin, L. G.*; 大山 直幸; 間瀬 淳*; 篠原 孝司; 三浦 幸俊

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(8), p.1313 - 1330, 2004/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:36.97(Physics, Fluids & Plasmas)

基本的なマイクロ波反射計の信号のみを用いてプラズマ中の密度揺動の波数スペクトルを再構成する方法と実験への適用について議論した。密度揺動の強度が小さい場合には、本手法によりかなり正確に波数スペクトルの再構成が行えることがわかった。一方、揺動強度の推定ではエラーバーが40-60%程度になる。本手法をJT-60U装置のHモード周辺プラズマを測定した反射計信号に適用した結果、$$k_{theta} sim 1cm^{-1}$$にピークを持つ揺動の存在を示唆している。

論文

プラズマ・核融合シミュレーションの発展と将来への期待; 磁場閉じ込め核融合の観点から

岸本 泰明

プラズマ・核融合学会誌, 80(5), p.390 - 395, 2004/05

近年の高性能の磁場閉じ込め核融合プラズマは、プラズマ中にさまざまな構造を形成することによって達成しており、そこでは時空間スケールの異なった物理過程が複合的に寄与している。そのような複雑かつ複合的な性質を持つプラズマの理解にあたっては大規模シミュレーションに基づく研究が本質的である。本論文では、このようなプラズマの構造形成を支配する物理的な素過程を論じるとともに、幅広いダイナミックレンジを包含する将来の数値シミュレーションの展望を提案する。

論文

Underlying mechanism of numerical instability in Large-Eddy Simulation of turbulent flows

井田 真人; 谷口 伸行*

Physical Review E, 69(4), p.046701_1 - 046701_9, 2004/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.2(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文ではラージ・エディ・シミュレーション(LES)による安定かつ高精度な乱流計算の実現可能性に関するわれわれの最近の理論的研究[Ida and Taniguchi, Phys. Rev. E 68, 036705 (2003)]を拡張する。以前の論文では主流速度成分の瞬時値に関する簡単な仮定に基づき、ガウシアン・フィルターのナビエ・ストークス方程式への適用が数値的に不安定な項を発生させうることを示した。この結果は、はたして数値的に安定なサブグリッド・スケール・モデルで高精度な数値計算を成しえるのかという疑問を投げかけるものであった。本論文では速度成分の統計平均値に関する仮定に基づき、統計平均速度場中のせん断から定係数の逆拡散項が派生し、それにより時間変動成分が不安定になる場合があることを示す。この発見は壁乱流のLESで度々問題となる厄介な数値不安定を説明するものである。ここで得られた結果は、仮に乱流モデリングに何の不具合が無くとも、得られたサブグリッド・スケール・モデルはなおも不安定な性質を持ちうること、つまり、既存の複数のモデルが持つ数値不安定性は人工的な操作によって単純に取り去ってしまってよいものではなく、正確に扱うよう真剣に取り組むべきものであることを示唆している。

論文

Electromagnetic effect on turbulent transport in tokamak based on Landau fluid global simulation

宮戸 直亮; Li, J.*; 岸本 泰明

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.581 - 584, 2004/00

電磁的ランダウ流体モデルに基づくグローバルコードを用い、トカマクプラズマ中のイオン温度勾配駆動乱流の有限ベータでの非線形シミュレーションを行った。有限ベータ効果により線形成長率が減少するのに伴い、イオンの熱輸送も減少する。2種類の帯状流が観測された。一つは時間的にあまり変化しないもの、もう一つは時間的に振動するものである。振動する帯状流はベータによりあまり変化しないが、時間変化しない帯状流はベータの増加により弱まることがわかった。

論文

Recent advances in nonlinear gyrokinetic PIC simulations in tokamak geometry

Bottino, A.*; Angelino, P.*; Allfrey, S. J.*; Brunner, S.*; Hatzky, R.*; 井戸村 泰宏; Jolliet, S.*; Sauter, O.*; Tran, T. M.*; Villard, L.*

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.75 - 86, 2004/00

非線形静電的グローバルPICコードORB5は実MHD平衡において、断熱的電子応答を仮定してジャイロ運動論的Vlasov-Poisson系を解析する。最適化粒子配分法と適応幅ジャイロ平均アルゴリズムの実装により、現バージョンのコードは非常に優れて粒子・エネルギー保存特性を有する。この基本的な保存特性は数値シミュレーションの質を測る量として重要である。論文ではExB帯状流と平行速度非線形性を含めた静電的無衝突微視的不安定性のシミュレーション結果をCHEASEコードから得られた実MHD並行配位において初めて示す。

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