湍流输运是影响磁约束核聚变装置中高温等离子体约束性能的一个关键物理过程。大规模回旋动理学模拟已经成为研究激发湍流的微观不稳定性和湍流输运等线性和非线性物理过程的主要工具。回旋动理学模拟的一个重要部分是关于准确求解回旋动理学泊松方程,而其中一个关键在于准确计算离子极化密度。离子极化密度包含两部分,其中一部分因为离子回旋半径的变化而产生,这一部分保留在传统的回旋动理学模拟中;另一部分则因为离子密度的变化而产生,在托卡马克堆芯的弱等离子体梯度条件下由于其为高阶修正项故而在通常的回旋动理学模拟中被忽略,但是在高约束运行模式(H-mode-)下托卡马克台基区的强梯度条件下却变得非常重要,可以影响不稳定性和带状流响应从而不能被忽略。基于以上原因,我们围绕离子极化密度在本论文中开展了一系列回旋动理学模拟工作,得到如下创新性的研究成果。(一)我们使用单粒子图像解释了两部分极化密度的来源,分析了在不同参数下两个部分的量级对比。为了验证回旋动理学高阶极化密度修正的存在,我们开发了基于托卡马克环位形的高效求解全动理学粒子轨道的模拟算法,并且使用此模拟算法验证了高阶极化密度修正的必要性和准确性。(二)我们改进了聚变旗舰湍流模拟程序GTC(Gyrokinetic Toroidal Code)的泊松方程解法,加入了极化密度修正项,使其具备了准确求解台基区强等离子体梯度下回旋动理学泊松方程的能力,并在此基础上研究了极化密度修正对粒子梯度模湍流的影响。我们先使用一维的气球模本征方程研究弱梯度下极化密度修正对离子温度梯度模(ITG)的影响,然后使用三维环位形粒子模拟准确求解强梯度下高阶极化密度修正对ITG的影响。研究发现弱梯度和强梯度下高阶极化密度修正对只含绝热电子的ITG的频率和增长率影响不大,但是对气球模空间和实空间的模结构有明显的影响;进一步的研究表明高阶极化密度修正使得非线性ITG(只含绝热电子)的热输运系数明显降低,可能是由带状流等非线性物理过程导致。同时,研究发现在强梯度下动理学电子对高阶极化密度效应有显著的增强作用,修正能促使最不稳定的模从色散关系的不同分支跳变,从而导致完全不同的模结构,这将对台基区的湍流输运有重要影响。(三)我们改进了 GTC程序中求解带状流演化的数值方法,并研究了强梯度下高阶极化密度修正对于带状流,尤其是测地声模(GAM)的影响。研究发现强梯度下高阶极化密度修正并不影响零频带状流的大小,但会使GAM的频率降低,以及阻尼变小,从而有利于GAM调制湍流输运。进一步的分析表示高阶极化密度修正使GAM变为两个传播方向相反的行波,并影响他们的衰减率。从全局来看,高阶极化密度修正使向磁轴传播的波能降低,同时使向边缘传播的波能增加。