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Turbulence elasticity: a key concept to a unified paradigm of L → I → H transition

Z.B. Guo, P.H. Diamond, Y. Kosuga, Ö.D. Gürcan2015年被引用 1Nuclear FusionIF 3出版社

We present a theory of turbulence elasticity, which follows from delayed response of drift waves (DWs) to zonal flow (ZF) shears. It is shown that when |〈V〉'ZF|/Δωk ⩾ 1, with |〈V〉'ZF| the ZF shearing rate and Δωk the local turbulence decorrelation rate, the ZF evolution equation is converted from a diffusion equation to a telegraph equation. This insight provides a natural framework for understanding temporally periodic ZF structures, e.g., propagation of the ZF/turbulence intensity fronts. Furthermore, by incorporating the elastic property of the DW–ZF turbulence, we propose a unified paradigm of low-confinement-mode to intermediate-confinement-mode to high-confinement-mode (L → I → H) transitions. In particular, we predict the onset and termination conditions of the limit cycle oscillations, i.e. the I-mode. The transition from an unstable L-mode to I-mode is predicted to occur when Δωk < |〈V〉'ZF|<〈V〉'cr, where 〈V〉'cr is a critical flow shearing rate and is derived explicitly. If |〈V〉'E×B| > 〈V〉'cr(〈V〉E×B is mean E × B shear flow driven by edge radial electrostatic field), the I-mode will terminate and spiral into the H-mode.

日本語訳

我々は、ドリフト波(DW)の帯状流(ZF)シアに対する遅延応答に由来する乱流の理論を提示する。|〈V〉'ZF|/Δωk ⩾ 1 のとき、ここで |〈V〉'ZF| はZFシア率、Δωk は局所乱流脱相関率であるが、ZF発展方程式が拡散方程式からテレグラフ方程式に変換されることが示される。この洞察は、時間周期的なZF構造、例えばZF/乱流強度フロントの伝播を理解するための自然な枠組みを提供する。さらに、DW-ZF乱流の弾性特性を組み込むことにより、我々は低閉じ込めモードから中間閉じ込めモード、高閉じ込めモード(L → I → H)遷移の統一的パラダイムを提案する。特に、我々はリミットサイクル振動、すなわちIモードの開始条件と終了条件を予測する。不安定なLモードからIモードへの遷移は、Δωk < |〈V〉'ZF| < |〈V〉'cr のときに起こると予測される。ここで |〈V〉'cr は臨界流シア率であり、明示的に導出される。もし |〈V〉'E×B| > |〈V〉'cr ならば(|〈V〉'E×B は周辺部の径方向静電場によって駆動される平均E×Bシア流である)、Iモードは終了し、Hモードへと移行する。

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