Role of Lagrangian Vortices as Material Transport Barriers in a Model of Tokamak Plasmas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Freire, Ana Luiza Piragibe
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48177
Resumo: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Ciências de Materiais, 2023.
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spelling Role of Lagrangian Vortices as Material Transport Barriers in a Model of Tokamak PlasmasPlasma de fusãoExpoentes de LyapunovDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Ciências de Materiais, 2023.No plasma de fusão, simulações numericas sao comumente utilizadas para investigar as propriedades de confinamento do plasma na regiao de borda dos tokamaks. As equacoes modificadas de Hasegawa-Wakatani (MHW) são usadas para modelar o comportamento do plasma, o que nos permite entender o transporte radial em simulações numericas bidimensionais de turbulencia de ondas de deriva resistivas eletrostaticas. Ao utilizar as equações de MHW, obtivemos melhor entendimento sobre as transições de confinamento baixo-para-alto (L-H) que ocorrem espontaneamente no plasma quando o mesmo passa de um estágio de baixo confinamento, caracterizado por fluxo turbulento, para um regime que suprime a turbulência conhecido como fluxo zonal. Para investigar essas transições, variamos o valor de um parâmetro de controle a, que esta relacionado a adiabaticidade, em simulações numéricas, e observamos a transição entre os dois regimes. Este modelo simplificado de transições L-H pode fornecer informações valiosas para tokamaks. As propriedades de mistura caotica do fluxo são caracterizadas por meio de estruturas coerentes Lagrangeanas (LCS). Primeiro, calculamos o expoente de Lyapunov de tempo finito (FTLE) do campo de velocidade calculado derivado do potencial eletrostatico para melhor caracterizar a mistura caótica dos regimes de fluxo turbulento e zonal. Em seguida, comparamos as estatísticas da mistura caotica dos dois regimes utilizando funções de distribuição de probabilidade (PDFs). Por fim, identificamos os vortices Lagrangeanos utilizando a teoria geodésica para aprofundar a nossa compreensão da mistura caotica dos dois regimes, implementando tambem o cállculo da energia cinetica para os vortices e domínio total. Estes resultados podem contribuir para a compreensão dos processos de transporte turbulento em plasmas de fusão por confinamento magneítico.In fusion plasma, numerical simulations are commonly employed to investigate the confine ment properties of plasma in the bulk region of tokamaks. The modified Hasegawa-Wakatani (MHW) equations are used to model the behavior of plasma, which enables us to understand the radial transport in two-dimensional numerical simulations of electrostatic resistive drift-wave turbulence. By utilizing the MHW equations, we have gained insights into the low-to-high con finement (L-H) transitions that occur spontaneously in the plasma when it moves from a low confinement stage, characterized by turbulent flow, to a turbulence-suppressed regime known as zonal flow. To investigate these transitions, we vary the value of a control parameter α, which is related to adiabaticity, in numerical simulations, and observe the transition between the two regimes. This simplified model of L-H transitions can provide valuable information for tokamaks. The chaotic mixing properties of the flow are characterized by means of Lagrangian coherent structures (LCS). First, we compute the finite-time Lyapunov exponent (FTLE) of the calculated velocity field derived from the electrostatic potential to better characterize the chaotic mixing of the turbulent and zonal flow regimes. Then, we compare the statistics of the chaotic mixing of the two regimes using probability distribution functions (PDFs). Lastly, we identify the Lagrangian vortices using geodesic theory to further our understanding of the chaotic mixing of the two regimes, by also implementing the calculation of the kinetic energy for the vortices and total domain. These results can contribute to the understanding of turbulent transport processes in magnetic confinement fusion plasmas.Faculdade UnB Planaltina (FUP)Programa de Pós-Graduação em Ciências de MateriaisMiranda Cerda, Rodrigo Andrésalpf756@gmail.comFreire, Ana Luiza Piragibe2024-06-08T00:15:22Z2024-06-08T00:15:22Z2024-06-072023-12-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfFREIRE, Ana Luiza Piragibe. Role Of Lagrangian Vortices as Material Transport Barriers in a Model of Tokamak Plasmas. 2023. 67 f., il. Dissertação (Mestrado em Ciências de Materiais) - Universidade de Brasília, Brasília, 2023.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48177enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-07-01T20:09:22Zoai:repositorio.unb.br:10482/48177Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-07-01T20:09:22Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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