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Interaction non linéaire entre le mode double déchirement et Kelvin

Jul 13, 2023Jul 13, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13559 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

L'interaction non linéaire entre le mode de double déchirement (DTM) et les instabilités de Kelvin – Helmholtz (KH) avec différents profils d'écoulement de cisaillement a été étudiée numériquement via l'utilisation d'un modèle magnétohydrodynamique compressible (MHD). Nous nous concentrons sur les instabilités KH dans les plasmas à cisaillement magnétique faible et inversé avec un fort effet stabilisant de courbure des lignes de champ. Les résultats montrent que des instabilités KH couplées aux DTM se produisent dans ces plasmas et que le mode KH domine la dynamique de l'instabilité, suggérant le rôle crucial d'un faible cisaillement magnétique dans la formation d'harmoniques de mode élevé. Pour les écoulements symétriques, une configuration asymétrique de reconnexion magnétique forcée est maintenue pendant la phase de croissance, conduisant à un imbrication des modes. De plus, cette étude de l'interaction d'instabilité DTM-KH contribue à notre compréhension du mécanisme de reconnexion non linéaire dans le régime des plasmas à cisaillement magnétique faible et inversé, ce qui est pertinent pour les études d'astrophysique et de fusion.

Les instabilités induites par le flux de plasma jouent un rôle important dans les plasmas magnétisés, notamment la couronne solaire, les jets magnétosphériques et astrophysiques1,2,3,4,5,6,7. On sait que la rotation du plasma excite ou supprime de nombreuses instabilités magnétohydrodynamiques (MHD)8,9. Des études analytiques et numériques ont montré que les écoulements de cisaillement à vitesse inférieure à Alfven peuvent stabiliser les modes de déchirure dans des systèmes comprenant une ou plusieurs surfaces résonantes périodiques 10,11,12. Lorsque la variance de vitesse des écoulements de cisaillement dépasse une valeur seuil2, une nouvelle variété de mode instable, l'instabilité de Kelvin – Helmholtz (KH)3,4,13, apparaît ; le taux de croissance de cette instabilité est supérieur aux modes de déchirure14,15,16,17,18,19,20. Il a été constaté que les instabilités KH sont à l’origine de divers phénomènes observés dans de nombreux domaines, notamment la physique magnétosphérique5,6, l’astrophysique21,22, les plasmas poussiéreux23 et la physique de la fusion24,25,26.

Des résultats antérieurs ont montré que dans les instabilités KH, les lignes de champ magnétique et les lignes de champ d'écoulement sont presque parallèles les unes aux autres et que la feuille neutre et la topologie magnétique prennent une forme ondulatoire . Dans des expériences, l'instabilité KH a été étudiée comme explication possible des asymétries poloïdales des fluctuations de densité qui s'inversent avec la direction du courant plasma. Il a été démontré que ces modes sont localisés autour de positions où le gradient radial de la vitesse parallèle prend une valeur maximale27. De forts flux de plasma cisaillés devraient entraîner des oscillations KH instables dans les plasmas tokamak sphériques . Pour de petites épaisseurs d'écoulement de cisaillement, l'instabilité KH est excitée ; en revanche, pour des épaisseurs suffisamment importantes, l'instabilité à l'arrachement sera dominante29. Le code de transport prédit que la rotation toroïdale du tokamak peut atteindre la vitesse ion-son30. À des écoulements de cisaillement aussi importants, les instabilités magnétiques KH doivent être prises en compte28. Dans la théorie de la fusion et la recherche expérimentale, certaines recherches, par exemple sur les instabilités de type KH dans les plasmas de tokamak, peuvent être trouvées27,31,32,33.

Le taux de croissance linéaire des modes KH augmente avec l'augmentation de la force des écoulements de cisaillement dans un système à surface résonante unique. Si le cisaillement magnétique est suffisamment grand, le mode de déchirure présentera un fort couplage aux instabilités KH et formera un nouveau type d'instabilité résistive entraînée par les instabilités KH . Pour un système à deux surfaces résonantes, le mode double déchirement (DTM) avec un fort cisaillement magnétique, l'effet combiné de la stabilisation de la période 'en phase' et de la déstabilisation de la période 'hors phase' conduit à suppression des îlots, et entre même dans les processus d'imbrication et de saturation des îlots doubles au stade non linéaire35,36,37,38,39,40,41,42. Cependant, lorsque les écoulements de cisaillement sont forts et ont des vitesses proches ou supérieures à la vitesse locale d'Alfven, la croissance de l'instabilité résistive antisymétrique est encore augmentée19. Dans ce cas, via le processus de reconnexion sur les doubles surfaces résonantes, les DTM peuvent interagir les uns avec les autres et également se coupler avec les instabilités KH43.

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>

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