Sub-grid-scale effects in magnetised plasma turbulence
Sub-grid-scale effects in magnetised plasma turbulence
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磁化等离子体湍流中的亚网格尺度效应
DOI：
10.1017/s0022377821000180
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发表时间：
2021
影响因子：
2.5
通讯作者：
Teaca B
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Teaca B
在本文中，我们使用粗粒化的方法来研究弱碰撞磁化等离子体湍流的自由能在位置和尺度空间的非线性重新分布。为此，我们使用高分辨率的数值模拟的回旋（GK）湍流，跨越质子-电子的尺度范围内，在一个直的磁引导场的几何形状。考虑到粒子的快速回旋运动对等离子体慢涨落的平均影响，GK近似捕获了强磁化等离子体湍流中占主导地位的能量再分配机制。这里，GK系统相对于截止尺度是粗粒度的，在真实的空间中分离来自粗网格尺度和子网格尺度（SGS）的对非线性相互作用的贡献。我们集中在非线性SGS效应的分析。这不仅使我们能够研究跨尺度的自由能通量，而且现在还可以分析其空间密度。我们发现尺度通量的净值比正通量密度和负通量密度的贡献都小一个数量级。还分析了结果对滤波器类型的依赖性。此外，我们还研究了位置空间中的能量平流。GK湍流的这种相当新颖的方法可以帮助SGS模型的发展，占空间和聚变等离子体的平流不稳定结构，并与湍流输运饱和度的分析。
In the present paper, we use a coarse-graining approach to investigate the nonlinear redistribution of free energy in both position and scale space for weakly collisional magnetised plasma turbulence. For this purpose, we use high-resolution numerical simulations of gyrokinetic (GK) turbulence that span the proton–electron range of scales, in a straight magnetic guide field geometry. Accounting for the averaged effect of the particles’ fast gyro-motion on the slow plasma fluctuations, the GK approximation captures the dominant energy redistribution mechanisms in strongly magnetised plasma turbulence. Here, the GK system is coarse grained with respect to a cut-off scale, separating in real space the contributions to the nonlinear interactions from the coarse-grid scales and the sub-grid scales (SGS). We concentrate on the analysis of nonlinear SGS effects. Not only does this allow us to investigate the flux of free energy across the scales, but also to now analyse its spatial density. We find that the net value of scale flux is an order of magnitude smaller than both the positive and negative flux density contributions. The dependence of the results on the filter type is also analysed. Moreover, we investigate the advection of energy in position space. This rather novel approach for GK turbulence can help in the development of SGS models that account for advective unstable structures for space and fusion plasmas, and with the analysis of the turbulent transport saturation.
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