托卡马克（Tokamak）是有望实现可控核聚变进而解决人类能源及环境问题的磁约束聚变装置之一。在实验中观测到的粒子、能量及动量输运都远高于经典及新经典理论的预测值,无法通过碰撞理论进行解释,通常将该现象称为反常输运。研究表明,引起反常输运的主要原因是微观漂移波不稳定性驱动的湍流。其中具有离子拉莫尔回旋半径尺度的漂移波不稳定性主要有离子温度梯度模（Ion Temperature Gradient Mode,ITG）和捕获电子模（Trapped Electron Mode,TEM）。近年来对微观、介观及宏观结构多模多尺度非线性相互作用物理,如破裂触发、输运垒形成等物理现象的研究表明,这些过程涉及反常输运过程。所以对微观尺度漂移波湍流之间的相互作用,及其与宏观磁流体力学不稳定性之间的多模多尺度相互作用的物理研究非常重要。多年来的研究表明,回旋朗道流体模型已成为托卡马克等离子体中宏观、微观不稳定性及湍流输运研究的主要手段之一。本论文应用回旋朗道流体理论,自主开发了相应的环位形模拟程序ExFC（Extended Fluid Code）,对托卡马克等离子体中静电ITG和TEM湍流之间的相互作用及相关输运进行研究。采用平板模型,通过电磁条件下小尺度剪切流（对应于TEM产生的带状流）对微观ITG湍流的调制作用系统地研究了ITG和TEM之间的非线性相互作用机理。建立了基于神经网络算法的输运预测模型ExFC-NN,用于快速预测湍流输运过程。本论文的研究结果为揭示湍流输运和多模多尺度相互作用的机理提供参考,并为改善等离子体约束性能提供思路。本论文的基本结构与主要研究内容如下:第一章,概述了本篇论文的研究背景与科学意义。重点介绍了托卡马克等离子体中宏观及微观不稳定性的基本特性、湍流输运的性质、多模多尺度相互作用的研究现状及相关输运模型的发展及应用。第二章,重点介绍了新开发的扩展流体程序ExFC。ExFC是自主研发的用于研究托卡马克外源驱动型湍流和全域输运特性的扩展流体程序。本章对其物理模型、程序结构及数值方法进行了介绍。通过对程序线性及非线性模块模拟结果与国内外已有程序的比对,证明了ExFC程序在物理研究中的可靠性。第三章,为了探索托卡马克等离子体中多模多尺度湍流相互作用与湍流输运的物理机制,通过使用第二章介绍的ExFC程序,研究了ITG-TEM转换、粒子输运与梯度的参数依赖关系及热箍缩现象。研究发现,Vn-TEM和▽Te-TEM之间的区别不仅体现于前者具有趋近于零的实频,而且后者可能导致粒子箍缩:并且在平坦离子温度分布下,▽n-TEM导致向外的粒子输运。一般情况下,粒子输运很大程度上受密度梯度影响。在ITG湍流主导情况下,观察到电子热箍缩现象;而在▽n-TEM湍流主导情况下,驱动了离子热箍缩。同时分析了 TEM激发的带状流特征,发现TEM产生的带状流存在径向小尺度分量。可以证明在不同不稳定性主导的区域,带状流的变化趋势不同。模拟发现在L模放电实验中,由于ECRH沉积位置改变而引起的密度平化和峰化现象可以理解为ITG、TEM之间转换的结果;并且对HL-2A实验中磁岛对微观湍流的调制现象进行了分析,表明准相干模（Quasi Coherent Mode,QCM）的出现与TEM湍流有关。第四章,为了理解ITG和TEM之间非线性相互作用机理,通过自洽的五场朗道流体模型,在平板位形下研究了小尺度剪切流对低频开尔文-亥姆霍兹（Kelvin-Helmholtz,KH）不稳定性和ITG湍流的影响。结果表明,比较强的小尺度剪切流可能会激发KH不稳定性,从而主导多尺度电磁扰动。较短波长ITG模在不同的自由能驱动和不同的非线性效应饱和的同时,与KH模和小尺度剪切流发生线性或非线性相互作用,经历多个准稳态阶段,最终增强扰动水平。在强剪切流速下,在饱和阶段后期,除了主导的ITG分量外,其它扰动分量出现明显的周期性振荡,开始时间取决于离子温度梯度和剪切流流速。分析表明,振荡是由带状流引起的,而该带状流主要由KH不稳定性产生并对其产生反作用。此外还揭示了两种机制主导ITG不稳定性的饱和过程,并对相关湍流输运进行了分析。第五章,基于朗道回旋流体计算程序ExFC模拟结果建立数据库,发展了神经网络输运模型ExFC-NN,预测与静电ITG和TEM湍流相关的输运过程。该模型能够准确预测主导湍流类型（包括TEM、ITG和TEM混合及ITG三类情况）、径向平均通量水平（粒子通量Γ、电子热通量Qe和离子热通量Qi）、扰动量径向分布（电子温度Te（r）扰动径向分布、离子温度Ti（r）扰动径向分布及密度n（r）扰动径向分布）,通量径向分布（粒子通量Γ（r）径向分布、电子热输运Qe（r）径向分布及离子热输运Qi（r）径向分布）。对于径向分布中的精细结构,ExFC-NN同样可以比较准确地预测。最后一章,归纳总结了本文的研究结果,提炼整理了研究工作的创新点,最后对未来的研究工作做进一步展望。