Turbulent full-f simulations in a linear plasma device are presented. Extending the work of Frei et al (2024 Phys. Plasmas31 012301), the simulations are based on a drift-kinetic (DK) model that includes corrections associated with higher-order drifts and finite Larmor radius (FLR) effects, while avoiding the Boussinesq approximation. To solve the DK equation, the ion distribution function is expanded on a Hermite-Laguerre basis and the expansion coefficients, denoted as the gyro-moments (GMs), are evolved. Convergence is demonstrated with a small number of GMs and the ion distribution function is shown to be, approximately, a bi-Maxwellian distribution. The simulations reveal significantly reduced cross-field transport with respect to standard DK simulations. Turbulent structures are observed, predominantly elongated in the parallel direction, and largely unaffected by the number of GMs. Linear investigations of the unstable turbulent modes reveal the presence of a long-wavelength Kelvin–Helmholtz mode and a short-wavelength mode driven unstable by finite FLR corrections. The role of these modes in the nonlinear simulations is discussed.
線形プラズマ装置における乱流full-fシミュレーションを提示する。Frei et al (2024 Phys. Plasmas31 012301) の研究を拡張し、このシミュレーションは、高次ドリフトおよび有限ラーマー半径(FLR)効果に関連する補正を含み、ブシネスク近似を回避するドリフト運動論(DK)モデルに基づく。DK方程式を解くために、イオン分布関数をエルミート-ラゲール基底で展開し、ジャイロモーメント(GMs)と表記される展開係数を時間発展させる。少数のGMで収束が示され、イオン分布関数は近似的にバイマクスウェル分布であることが示される。シミュレーションは、標準的なDKシミュレーションと比較して、磁場横断輸送が大幅に低減されることを明らかにする。乱流構造が観測され、主に平行方向に伸長しており、GMの数によってほぼ影響を受けない。不安定な乱流モードの線形調査により、長波長のケルビン・ヘルムホルツモードと、有限FLR補正によって不安定化される短波長モードの存在が明らかになる。非線形シミュレーションにおけるこれらのモードの役割について議論する。