Evaluation of abrupt energy transfer among turbulent plasma structures using singular value decomposition
Evaluation of abrupt energy transfer among turbulent plasma structures using singular value decomposition
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使用奇异值分解评估湍流等离子体结构之间的突变能量传递
DOI：
10.1088/1361-6587/abcb46
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发表时间：
2020
影响因子：
2.2
通讯作者：
Inagaki S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Sasaki M;Kobayashi T;Dendy R O;Kawachi Y;Arakawa H;Inagaki S
提出了一种利用奇异值分解（SVD）定量分析湍流结构间能量传递的方法。我们应用该方法从全球等离子体模拟使用长谷川若谷流体模型，其中开尔文-亥姆霍兹不稳定性起着主导作用的数值湍流数据。利用奇异值分解方法，将静电势分解为背景势变形、纬向流、相干模和间歇结构。因此，有四个关键结构，与传统理论中的三个不同。计算了各结构的动能，得到了它们之间的极限环。在极限环中，背景的突变被发现与纬向流的周期同步。每个湍流结构的能量传递函数，这是定义的涡量方程的基础上，进行评估。然后，这提供了物理上的理解，如何在结构之间的能量转移的动态变化，在其期间的极限环是持续的。此外，它表明，背景的突变变形是由间歇结构的非线性自耦合。
A method to quantify the energy transfer among turbulent structures using singular value decomposition (SVD) is presented. We apply the method to numerical turbulence data obtained from a global plasma simulation using the Hasegawa–Wakatani fluid model, in which the Kelvin–Helmholtz instability plays a dominant role. Using the SVD method, the electrostatic potential is decomposed into a background potential deformation, a zonal flow, a coherent mode and an intermittent structure. Thus there are four key structures, as distinct from the three found in conventional theory. The kinetic energy of each structure is evaluated, and the limit cycle among them is obtained. In the limit cycle, an abrupt change of the background is found to be synchronised with the period of the zonal flow. The energy transfer function of each turbulence structure, which is defined on the basis of a vorticity equation, is evaluated. This then provides physical understanding of how the limit cycle is sustained by dynamical changes in the energy transfer among structures over the its period. In addition, it is shown that the abrupt deformation of the background is caused by the non-linear self-coupling of the intermittent structure.
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