search
ptPortuguês
banner
Lar / blog / Interação não linear entre o modo de rasgo duplo e Kelvin
blog
pageSearch
Últimas notícias

Interação não linear entre o modo de rasgo duplo e Kelvin

Jul 13, 2023Jul 13, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13559 (2023) Citar este artigo

787 Acessos

Detalhes das métricas

A interação não linear entre o modo de rasgo duplo (DTM) e as instabilidades Kelvin-Helmholtz (KH) com diferentes perfis de fluxo de cisalhamento foi investigada numericamente através do uso de um modelo de magnetohidrodinâmica compressível (MHD). Nós nos concentramos nas instabilidades KH em plasmas de cisalhamento magnético fracos e invertidos com forte efeito estabilizador de curvatura da linha de campo. Os resultados mostram que as instabilidades KH acopladas aos DTMs ocorrem nestes plasmas e o modo KH domina a dinâmica de instabilidade, sugerindo o papel crucial do cisalhamento magnético fraco na formação de harmônicos de modo alto. Para fluxos simétricos, uma configuração de reconexão magnética forçada assimétrica é mantida durante a fase de crescimento, levando ao intertravamento dos modos. Além disso, esta investigação da interação de instabilidade DTM-KH contribui para a nossa compreensão do mecanismo de reconexão não linear no regime de plasmas de cisalhamento magnético fraco e reverso, o que é relevante para estudos astrofísicos e de fusão.

As instabilidades causadas pelo fluxo de plasma desempenham um papel importante nos plasmas magnetizados, incluindo a coroa solar, os jatos magnetosféricos e astrofísicos 1,2,3,4,5,6,7. Sabe-se que a rotação plasmática excita ou suprime muitas instabilidades magnetohidrodinâmicas (MHD)8,9. Estudos analíticos e numéricos mostraram que os fluxos de cisalhamento com velocidade sub-Alfven podem estabilizar os modos de rasgamento em sistemas compreendendo superfícies ressonantes periódicas únicas ou múltiplas . Quando a variação da velocidade dos fluxos de cisalhamento excede um valor limite2, uma nova variedade de modo instável, a instabilidade Kelvin-Helmholtz (KH)3,4,13, aparece; a taxa de crescimento desta instabilidade é maior que os modos de ruptura14,15,16,17,18,19,20. Descobriu-se que as instabilidades KH estão subjacentes a vários fenômenos observados em muitos campos, incluindo física magnetosférica5,6, astrofísica21,22, plasmas empoeirados23 e física de fusão24,25,26.

Resultados anteriores mostraram que nas instabilidades KH as linhas do campo magnético e as linhas do campo de fluxo são quase paralelas entre si, e que a folha neutra e a topologia magnética assumem uma forma ondulatória . Em experimentos, a instabilidade KH tem sido estudada como uma possível explicação para assimetrias poloidais de flutuações de densidade que invertem a direção da corrente plasmática. Foi demonstrado que esses modos estão localizados em torno de posições onde o gradiente radial da velocidade paralela assume um valor máximo . Prevê-se que fortes fluxos de plasma cisalhados tornem as oscilações de KH instáveis ​​​​em plasmas tokamak esféricos . Para pequenas espessuras de fluxo de cisalhamento, a instabilidade KH é excitada; por outro lado, para espessuras suficientemente grandes, a instabilidade do rasgo será dominante29. O código de transporte prevê que a rotação toroidal no tokamak pode atingir a velocidade íon-som30. Em fluxos de cisalhamento tão grandes, as instabilidades magnéticas do KH devem ser consideradas . Na teoria da fusão e na pesquisa experimental, algumas investigações sobre, por exemplo, instabilidades do tipo KH em plasmas tokamak podem ser encontradas27,31,32,33.

A taxa de crescimento linear dos modos KH aumenta com o aumento da força dos fluxos de cisalhamento no sistema com uma única superfície ressonante. Se o cisalhamento magnético for suficientemente grande, o modo de ruptura exibirá um forte acoplamento às instabilidades KH e formará um novo tipo de instabilidade resistiva impulsionada pelas instabilidades KH . Para um sistema com duas superfícies ressonantes, o modo de rasgo duplo (DTM) com forte cisalhamento magnético, o efeito combinado da estabilização do período 'em fase' e da desestabilização do período 'fora de fase' leva a supressão de ilhas, e ainda entra em processos de interligação e saturação das ilhas duais no estágio não linear35,36,37,38,39,40,41,42. No entanto, quando os fluxos de cisalhamento são fortes e têm velocidades próximas ou maiores que a velocidade local de Alfven, o crescimento da instabilidade resistiva antissimétrica é ainda maior . Nesse caso, através do processo de reconexão nas superfícies ressonantes duplas, os DTMs podem interagir entre si e também acoplar-se às instabilidades do KH .

B_{x1,\max } ,B_{x2,\max }\); the symmetric mode structures generated on dual resonant surfaces are obtained for \(B_{x1,\max } \approx B_{x2,\max }\). In the nonlinear stage, the value of \(B_{x}\) on the two resonant surfaces gradually increases to \(B_{x,\max } \approx B_{x1,\max } \approx B_{x2,\max }\) especially after \(t \sim 400\)./p> 0\)52, the strong stabilizing effect of field line bending on the KH mode dominates the mode linear growth with the position of the mode being far away from the resonant surfaces. Yao et al. studied the effect of distance between two resonant surfaces on DTMs using gyrokinetic code59. Their research found that as the separation of the rational surfaces was increased, the growth rates of DTMs were enhanced and the DTM system tended to decouple into a system of two single-tearing modes. Interestingly, the distance between two rational surfaces has different mechanisms of influence on the instability of DTMs and KH modes. The relevant mechanisms need to be studied in detail./p> B_{x2,\max }\). The saturated amplitude of \(B_{x1,\max }\) is also larger than 2 times that of \(B_{x2,\max }\). It is expected that, similar to the case of a single resonant surface, the islands induced by the KH instabilities on left resonant surface can induce an interaction between the tearing mode and the KH mode that then drive each other14,15,16,17,18,19. We see that the island structure begins to grow when the KH mode becomes sufficiently strong, as shown in Fig. 6b. \(W\) shows the width of the islands. Nevertheless, early within the nonlinear stage, the right island grows very slowly until an inward flow form at \(t > 250\)21,22,35./p> 400\), the KH instability saturates at a high number level with the two large size islands that exist between the two resonant surfaces. The initial magnetic topology is deformed and two eddy–like structures are generated; these eddy-like structures may result in a further enhancement of radial plasma transport. Therefore, in order to maintain a stable configuration, sheared plasma flows below the critical level are required in weak and reversed magnetic shear configuration./p> 300\); meanwhile, it can be seen that the KH modes are moving toward each other in the x-direction. Figure 8b shows that the flow profile remains constant in the early linear stage (\(t < 100\)). When the KH–induced islands start to grow, the flow profile first flattens near the left resonant surface. The relative velocity of the two resonant surfaces then decreases due to interlocking of the two KH modes. Once the interactions between the surfaces become sufficiently strong, the zonal flow structure will alternatively appear and move to the region close to \(x = 0\). A possible reason for this phenomenon is that the zonal flow arises due to the magnetic reconnection process, which also causes two opposite resonant surfaces to attract each other, as is the case with DTMs35. Figure 8c,d show the perturbed magnetic flux on the left and right resonant surfaces, respectively. It can be seen that the high mode number harmonics are excited due to the large flow shear on the resonant surface at the linear and early nonlinear states of the KH modes. However, they merge rapidly with each other for \(t > 200\). The coupled KH modes rotate together and enter a long term nonlinear dynamic process. A different behavior can be observed on the right resonant surface due to the asymmetry of the flow profile considered in the simulation./p>

Anterior: Novos Produtos Próximo: Quais são algumas diferenças entre uma peça e um livro normal?
Enviar consulta
Enviar