本发明专利技术公开了一种托卡马克装置离子回旋波加热的芯部与边界集成模拟方法，主要解决现有ICRF波加热数值模拟程序的芯部区域模拟程序与边界区域模拟程序相互独立，不能实现全局ICRF波加热数值模拟的问题。其实现方案是：将COMSOL的端口与软件MATLAB进行对接，在MATLAB软件中编写程序以操控COMSOL并新建包括射频模块的COMSOL模型；设置COMSOL模型的各类参数，求解射频模块中的波动方程；将波动方程的解返回到MATLAB软件，计算波的传播及离子吸收量和电子吸收量，完成芯部与边界的集成模拟。本发明专利技术能将传统模拟区域由芯部拓展至边界，实现全局ICRF波加热数值模拟。现全局ICRF波加热数值模拟。现全局ICRF波加热数值模拟。
【技术实现步骤摘要】
托卡马克装置离子回旋波加热的芯部与边界集成模拟方法
[0001]本专利技术属于数据处理
，特别涉及一种芯部与边界集成模拟方法，可用于托卡马克装置的离子回旋波加热全波数值模拟，预测离子回旋波的传播和功率沉积规律，对离子回旋波加热实验进行指导。
技术介绍
[0002]离子回旋频段ICRF波加热是托卡马克装置上可以直接加热离子的一种重要的非感应电流加热方法，其有效性和可靠性已经得到了充分验证。ICRF波加热数值模拟在理论研究与实验研究中都扮演者非常重要的角色，其模拟包括芯部区域模拟和边界区域模拟。
[0003]用于ICRF波加热芯部区域模拟的程序有AORSA、TORIC等，这类程序侧重于模拟计算芯部热等离子体区域的ICRF波传播规律和吸收机制。德国的Max
–
Planck Institut fur Plasmaphysik机构研发的TORIC程序考虑了空间色散效应和快离子分布函数演化，是目前使用最广泛的ICRF波加热芯部模拟程序，但是由于其没有考虑闭合磁面以外的刮削层和复杂天线模型，不能用于模拟边界的ICRF波耦合和射频鞘物理。美国的Oak Ridge National Laboratory机构研发的AORSA程序扩展可用于研究刮削层波的传播规律。但其没有考虑快离子分布函数的影响，且刮削层和天线模型过于简化。
[0004]ICRF波边界区域模拟程序即波耦合模拟，旨模拟ICRF天线的耦合效率。相比于传统的天线耦合程序，意大利的Politecnico di Torino,Dipartimento di Elettronica机构研发的TOPICA程序在天线模型改进方面取得了极大的进展，它可以有效预测天线耦合阻抗和近场分布。不足之处是其等离子体模型过于简化，其采用的一维平板等离子体模型及匹配的辐射边界条件，没有考虑波的吸收机制和高场侧可能引起的波反射。
[0005]综上所述，现有的ICRF波加热数值模拟程序包括芯部区域模拟程序和边界区域模拟程序。前者没有考虑刮削层等离子体和实际天线模型，后者不考虑波的吸收机制，两者相互独立，只能单独实现芯部区域的ICRF波加热数值模拟或边界区域的ICRF波加热数值模拟，不能实现全局ICRF波加热数值模拟，无法研究芯部与边界相互作用及刮削层波能损耗这些新的物理问题。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在针对上述现有技术的不足，提出一种托卡马克装置离子回旋波加热的芯部与边界集成模拟方法，以实现对全局ICRF波加热数值模拟，为后续芯部与边界相互作用及刮削层波能损耗这些新的物理问题应用提供依据。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0008]1.一种托卡马克装置离子回旋波加热的芯部与边界集成模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0009](1)将COMSOL的端口与软件MATLAB进行对接，通过软件MATLAB操控COMSOL，在MATLAB中新创建一个包括定义、几何、材料、网格、和求解器的COMSOL射频模块；
[0010](2)设置COMSOL模型的各类参数：
[0011](2a)在COMSOL模型的定义中设置平衡参数与输入参数，其平衡参数包括磁通量函数与磁轴坐标，其输入参数包括温度、电子密度与环向磁场分布，等离子体种类；
[0012](2b)在COMSOL模型的柱坐标系的二维平面中导入CAD文件，该CAD文件包括模拟托卡马克装置EAST截面模型与天线结构模型，该天线结构模型包括壁、天线电流带，法拉第屏蔽层、天线盒；
[0013](2c)根据平衡参数与输入参数在MATLAB中计算其介电张量，并将该介电张量导入到COMSOL的材料中；
[0014](2d)在COMSOL模型的射频模块中设置边界条件，将该边界条件应用于壁和天线边界；将射频模块中的波动方程对应于其单一环向模数；
[0015](2e)将COMSOL模型中的网格应用于EAST截面所有域，进行网格剖分；
[0016](3)在上述已设置参数的COMSOL模型中的求解器求解射频模块中的波动方程；
[0017](4)将求解得到波动方程解返回到MATLAB软件，计算波的传播及离子吸收量和电子吸收量，完成芯部与边界的集成模拟。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0019]第一，本专利技术通过准均匀近似法对波动方程即积分
‑
微分方程进行等效转化，建立了适用于空间域有限元算法的芯部波能吸收模型。
[0020]第二，本专利技术基于有限元算法建立ICRF波加热芯部与边界集成数值模拟程序，通过将托卡马克装置EAST截面模型与天线结构模型相结合，使传统的模拟区域由芯部拓展至边界。
[0021]结合上述两点，本专利技术简化了需要求解的波动方程，可同时模拟芯部波吸收和边界波耦合等物理过程，实现全局ICRF波加热数值模拟。
附图说明
[0022]图1是本专利技术方法的实现流程图；
[0023]图2是本专利技术方法中使用的CAD文件的截面图；
[0024]图3是本专利技术方法中剖分的网格图；
[0025]图4是本专利技术方法对不同粒子的功率吸收比例对比图；
[0026]图5是本专利技术方法与现有技术TORIC程序对不同粒子的功率吸收比例对比图；
[0027]图6是用本专利技术方法计算不同粒子吸收的二维场分布结果图；
[0028]图7是用现有技术TORIC程序计算不同粒子吸收的二维场分布结果图；
[0029]图8是用本专利技术方法和现有技术TORIC程序计算不同粒子的平均功率吸收分布结果图；
[0030]图9是用本专利技术方法计算不同平行波数k||条件下左旋电场E+的二维场分布；
[0031]图10是用本专利技术方法计算总吸收、H离子、D离子、与电子的功率沉积的二维场分布。
具体实施方式
[0032]以下结合附图对本专利技术的实施例和效果作进一步详细描述。
[0033]本实例基于有限元法建立ICRF波加热芯部与边界集成数值模拟程序，将传统的模拟区域由芯部拓展至边界，以同时模拟芯部波吸收和边界波耦合等物理过程，实现全局ICRF波加热数值模拟。
[0034]本实例的主要目标是开发具有以下特征的波程序：1)能够在极向平面上，对刮削层、第一壁和天线区域进行精确的几何描述；2)能够在刮削层中使用非零的等离子体密度、温度以及真实的台基轮廓；3)能够利用稀疏系统矩阵合理快速地求解方程组；4)计算波的传播以及离子吸收和电子吸收；5)能够作为工作环境。
[0035]参照图1，本实例的实现步骤如下：
[0036]步骤1，将COMSOL中针对MATLAB的端口与软件MATLAB进行对接，在MATLAB软件中编写有限元FEM程序操控COMSOL，并新创建一个包括定义、几何、材料、射频模块、网格、和求解器的COMSOL模型。
[0037]本专利技术拟采用有限元程序操控COMSOL，在COMSOL中对提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种托卡马克装置离子回旋波加热的芯部与边界集成模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将CMOSOL的端口与软件MATLAB进行对接，通过软件MATLAB操控CMOSOL，在MATLAB中新创建一个包括定义、几何、材料、射频模块、网格、和求解器的CMOSOL模型；(2)设置CMOSOL模型的各类参数：(2a)在CMOSOL模型的定义中设置平衡参数与输入参数，其平衡参数包括磁通量函数与磁轴坐标，其输入参数包括数值参数，温度、电子密度与环向磁场分布，等离子体种类；(2b)在COMSOL模型的柱坐标系的二维平面中导入CAD文件，该CAD文件包括模拟托卡马克装置EAST截面模型与天线结构模型，该天线结构模型包括壁、天线电流带，法拉第屏蔽层、天线盒与天线边界；(2c)根据平衡参数与输入参数在MATLAB中计算其介电张量，并将该介电张量导入到CMOSOL模型的材料中；(2d)在CMOSOL模型的射频模块中设置边界条件，将该边界条件应用于壁和天线边界；将射频模块中的波动方程对应于其单一环向模数；(2e)将CMOSOL模型中的网格应用于CAD文件所有域，进行网格剖分；(3)在上述已设置参数的CMOSOL模型中的求解器中求解射频模块中的波动方程；(4)将求解得到波动方程解返回到MATLAB软件，计算波的传播及离子吸收量和电子吸收量，完成芯部与边界的集成模拟。2.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述(1)创建CMOSOL模型中涉及的定义、几何、材料、射频模块、网格、求解器，其内容分别描述如下：所述定义，是定义天线参数、温度和密度分布、等离子体种类和数值参数；所述几何，是展示模拟截面的基本模拟域；所述材料，是设置模拟域的构成材料，材料构成可以带入定义的参数；所述射频模块，是将所要求波的波动方程导入模拟域，并设置模拟域的边界条件；所述网格，是将模拟域进行网格剖分，并设置网格的形状与大小；所述求解器，是对该模拟域的波动方程进行求解，并得到波的传播模拟域与计算损耗和吸收。3.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述(2a)中在CMOSOL模型的定义中设置的各类输入参数与平衡参数，分别包括如下：所述等离子体种类，包括电子、H离子、D离子；所述数值参数种类，其包括已知的真空中光速c、IC射频天线的电流密度J、IC射频天线的角频率ω、大半径R0、大半径处的磁场强度B0、真空磁导率μ0、磁轴处的磁通量函数值Ψ0、LCFS处的磁通量函数值Ψ
L
、真空介电常数ε0、温度的衰减长度κ、轴上的电子温度T
e0
、LCFS处的电子温度T
eL
、刮削层中的最小电子温度T
e1
、轴上的电子密度n
e0
、LCFS处的电子密度n
eL
、刮削层中的最小电子密度n
e1
、密度的衰减长度λ、已知的电流密度的幅值已知的极向天线的相位θ
k 。4.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述(2b)中在CMOSOL模型的二维模型中导入CAD文件,是将图2所示的CAD文件截面图导入到COMSOL模型的柱坐标系的二维平面中。
5.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述(2c)中根据平衡参数与输入参数在MATLAB中计算其介电张量，公式如下：(2c1)在笛卡尔坐标系(x,y,z)中计算磁化等离子体的介电张量，即在该坐标系中定义磁场沿z轴正向，设射频模块激发的IC射频波矢量在xoz平面内，计算磁化等离子体的介电张量K
(Sitx)
：其中，I是单位矩阵，χ
j
是第j类粒子符合麦克斯韦...
【专利技术属性】
技术研发人员：张珈珲，张新军，吴翔，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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