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Intermittency and extended self-similarity in space and fusion plasma: boundary effects

V P Budaev, S Savin, L Zelenyi, N Ohno, S Takamura, E Amata2008年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

A comparative study of fluctuation features in the edge plasma of fusion devices and in turbulent boundary layers (TBLs) of the Earth's magnetosphere has demonstrated similar statistical characteristics including scalings of structure functions and multifractal spectra. The detected intermittency and anomalous transport of mass and momentum is carried by sporadic plasma flux bursts with nonGaussian probability of flux magnitude. The turbulence exhibits a generalized (extended) self-similarity in an extended scale range. The experimental scalings of the structure functions are rather well fitted by the log-Poisson model considering quasi-1D singular dissipative structures. It appears that the turbulence in the edge plasma of fusion devices and in the TBL of the Earth's magnetosphere is governed by cross-field motions similar to hydrodynamic turbulence. Here the experimental scalings from the plasma are available for a comparison with experimental results from neutral fluids. The plasma scalings display universal properties of intermittent turbulence. A statistical approach permits us to evaluate turbulent transport scalings. The time dependence of an average squared particle displacements ⟨δx2⟩ ∝ τα infers superdiffusion with α ≈ 1.4–1.87 > 1.

日本語訳

核融合装置の周辺プラズマと地球磁気圏の乱流境界層(TBL)におけるゆらぎ特性の比較研究により、構造関数のスケーリングやマルチフラクタルスペクトルを含む類似した統計的特徴が実証された。検出された間欠性と質量・運動量の異常輸送は、非ガウス確率分布を示すフラックスバーストによって担われている。この乱流は、拡張されたスケール領域において一般化(拡張)自己相似性を示す。構造関数の実験的スケーリングは、準1次元特異散逸構造を考慮した対数ポアソンモデルによって良好に再現される。核融合装置の周辺プラズマと地球磁気圏のTBLにおける乱流は、流体乱流と類似した横断方向の運動によって支配されているように思われる。ここでは、プラズマにおける実験的スケーリングを中性流体の実験結果と比較するためのデータが利用可能である。プラズマのスケーリングは、間欠性乱流の普遍的性質を示している。統計的アプローチにより、乱流輸送スケーリングの評価が可能となる。平均二乗粒子変位⟨δx²⟩ ∝ τ^α の時間依存性は、α ≈ 1.4–1.87 > 1 の超拡散を示唆している。

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