הבנת ההתנהגות של זרימת לבה היא יסודית להעריך סיכונים געשיים ועיצוב אסטרטגיות מייגנציה יעילה. במהלך התפרצויות, סלע מלוטנט יכול לנסוע במהירות ממרחקים לשעה לעשרות קילומטרים לשעה, להרוס תשתיות, לשנות נופים, ואיים אוכלוסיות בקרבת מקום. Computational Fluid Dynamics (CD) מספק מסגרת חזקה לסימול הדינמיקה המורכבת של lava, המאפשרת לנבא את התהליכים הפיזיים, להמשיך ולפתור את ההשפעות הפיזיות של אזורים מדויקים של קרינה.

שילוב של Equations ו-Reological Models

בליבתו, CFD פותר את משוואות Navier-Stokes עבור מסה, מומנטום ושימור אנרגיה. עבור זרמי לבה, משוואות אלה יש להתאים כדי להסביר עבור rheology לא ניוטוני, תלות טמפרטורה חזקה של קוצר רוח, ושינויים בשלב (קריסטוליזציה ופליטת גז).

⁇ ( ⁇ v / ⁇ t + v. ⁇ v) = - ⁇ p + ⁇ + ⁇ g

כאשר ⁇ הוא צפיפות, v הוא מהירות, p הוא לחץ, ⁇ הוא הלחץ deviatoric Tenor, ו g הוא האצה כבידה. המורכבות העיקרית היא ביחס חוקתי המקשר מתח למתח. Lava מתנהג כחומר מולטי: זה עיוות רק כאשר הלחץ החל עולה על מתח ⁇ 0. 2 מודלים נפוצים בשימוש CFD הם:

  • (FLT:0)Bingham Model:FLT:1 ⁇ = ⁇ 0 + μp ⁇ עבור ⁇ > ⁇ 0, שבו μp הוא צמיג פלסטיק ו ⁇ הוא שיעור Shear.מודל זה ללכוד את התנהגות ההדבקה של lava - כובע נוקשה נע מעל שכבת חניכיים.
  • (ב) [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]] [ה]] [ה]]]]]]] [ה']] [==0=0 + K ⁇ n, שם K הוא מדד העקביות ו-n הוא מדד זרימה (nFLT:2 1 עבור הירר-הת-הת-התרד-הת-הת-התיקיפה יותר גמיש יותר] יותר מייצגת את ההתנהגות הטמפרטורות] טובה יותר מייצגת את ההתנהגות התלת-הטמפרטורה והמתח של מג'.

השקיפות עצמה מתפתחת כמו lava Cools ו גבישים nucleate. משוואה Roscoe-Einstein משמש לעתים קרובות כדי לעדכן את ההיקף היעיל כתפקוד של ⁇ גבישי: μ eff = μ liidation (- ⁇ / ⁇ max) (-2.5 ⁇ max) מעל שבריר קריטית (60%), מעברים לטמפרטורה אינטנסיבית, אך ורק לאחר מכן, הוא מסוגל לעצור את המשוואות חום, אך ורקמות, כמו גם חום, אך ורק לאחר מכן, כלומר, כלומר, הוא חום, הוא מסוגל לעצור את המשוואה, אך ורק לאחר מכן, כלומר, כמו גם חום.

שיטות נומריות לווה Flow Simulation

שיטת ההרחבה Finite Volume Method (FVM)

שיטת Pinite Volume מפרשת את התחום החישובי לתוך כרכים קטנים של שליטה ו פותרת את הצורה האינטגראלית של משוואות השימור.FVM הוא שמרני מטבעו - מסה, מומנטום ואנרגיה הם בדיוק מאוזנים פני תאים - מה שהופך אותו מתאים לסימולציות ברזולוציה גבוהה של להבה מתפשטת על פני שטח מוצק של קוד פתוח פתוח כגון OpenFOAM ו-FEni כבר מותאם עבור געשי תנועה מהירה.

שיטת פיתוח פינטיט (FEM)

שיטת היסודות הפינטאלית מפצה את התחום לאלמנטים (משולשים, קוואדריים, tetrahedra) ועוקבת אחר הפתרון באמצעות פונקציות בסיס. FEM הוא אטרקטיבי במיוחד עבור זרימת לבה מודלינג מכיוון שהוא יכול להתמודד עם זרמי אנרגיה לא סדירים, לא מבנים שתואמים למודלי מדרגה דיגיטלית אמיתיים (DEMs) השיטה מאפשרת עידוזמנטום מקומי באזורים של קידוד גבוה, כגון משוואות אחוריות במהירות גבוהה יותר (Fvaptol) אשר נמצאים תחת השפעתם של חומרים מוגזים).

שיטות ללא תשלום: חלקיקים חלקיקים הידרודינמיקה (SPH)

SPH הוא Lagrangian, טכניקה ללא מישבן שבו הנוזל מיוצג על ידי קבוצה של חלקיקים נעים, כל אחד נושא תכונות פיזיות אינטראקציה באמצעות תצפיות גבול חלק, ואת המשוואות השולטות נפתרות בצורת Lagrangian שלהם. SPH הוא אידיאלי מתאים לסימול של סטיות חישוביות גדולות, זרימת חינם, ואינטראקציות מורכבות עם גבולות - כל הגרסאות האופייניות של קריסה בשנת 2001 יכול לתפוס בהצלחה את הפחתת רמת הדיוק של ⁇ .

השוואות וגישות היברידיות

לכל שיטה מספרית יש נקודות חוזק וחולשות.FVM הוא שמרני וחזק עבור תחזיות תפעוליות בקנה מידה גדול; FEM מצטיין גמישות מרש והתאמה; SPH הוא טבעי עבור זרמי ביטחון חופשי. כמה קודים מודרניים משלבים את השיטות האלה: נפח סופי או אלמנט סופי פתרון עבור רוב זרימת הנתונים, יחד עם תא חלקיקים (PIC) או ייצור meshive גישה לפני זמן (FR) מאפשר להזין את המערכת הקדמית של שימוש לפני זמן, בנוסף ל-FVr (FR) באמצעות שימוש לפני זמן קצר לפני זמן, כולל מערכת ההפעלה הקדמית (FR).

תהליכים פיזיים מרכזיים בLava Flow Dynamics

Cooling, Crystallization ו-Virosity Evolution

ככל ש- lava מתקדמת, הוא מאבד חום לאטמוספירה ולקרקע.משטח העליון מתקרר במהירות, ויוצר קרום דק המבודד את הפנים, ומאפשר את זרימת המרחקים ארוכים.בתוך הזרם, הטמפרטורה נותרה מעל הנוזל למשך זמן מה, אבל כאשר היא יורדת, קריסטלים מחלחלים ולהגדיל, מגבירים את המעבר מ-Dine ל-Biricials ל-Birdapicial, בדרך כלל, באמצעות פרמטרים קצרים של טמפרטורות מוצקות (Ricial) או מ-Ricialicial) או מ-Ricialicial (Ricial) או מ-Ricialicialicial Retradicial) הוא בדרך כלל מ-Ricialdicedine) או מ-Ricialicialdicialdicialicialicialdine) ו-Ricial (Ricial (Ricial Rempliize) ו-Ricialdine) ולהגדיל את ה-Ricialdine) ולהגדיל את ה-Creicial Retracereicial (Ricial Retradial Retradial Retradine) באמצעות סגסוגת של ה-Cretradine

גז Exsolution ו-Bbbly Flow

זרמי לבה רבים מכילים תנודתיות מומסות (בעיקר H2O, CO2, SO2) כי פתור כמו טיפות לחץ ליד הבועות הבועות.בועות יכול להפחית באופן משמעותי את צפיפות הרוב ואת הגמישות של קצף, שיפור מהירות זרימת מהירות ומרחק ריצה.שני דחיסות של תאי זרימה (lid + גז) או מודלי תערובת נדרשים כדי ללכוד התנהגות זו.

אינטראקציה טופוגרפית ו- Levee Formation

הטופוגרפיה טרום-הפחתת - כולל עמקים, ridges, ו שדות להבה טרום-existing - בקרה חזקה על כיוון זרימה ומהירות.מודלים CFD משתמשים בנתונים טופוגרפיים ברזולוציה גבוהה (למשל, 1 מ"מ לרישיון אווירי או צלמת לוויינים) כדי ליצור מודלים דיגיטליים מוצקים (DEMs) עם אשר חומר חישובי בנוי אינטראקציה בין lavaography לבין זרם מדויק של חום-reco-reve תהליך הוא מעלה.

המונחים: input data and Boundary Conditions

סימולציות CFD Reliable דורשות נתונים באיכות גבוהה של קלט.הפרמטרים הקריטיים ביותר הם:

  • (FLT:0) שיעור ההפחתה (קצב ההיתוך): ראטמב 1 (הפסקה 1), פריקה של לבה ליחידה זמן, בדרך כלל נמדדת ב m3/s. זה יכול להיות מוערך מדמיון תרמי, מדידות שדה, או ממוצעים היסטוריים.
  • (FLT:0) טמפרטורה לבה פנימית:FLT:1 עבור magmas , טמפרטורת הנוזל היא -1200 מעלות צלזיוס; עבור lavassic או dacitic, זה נמוך יותר (900-1100 ° C). הטמפרטורה הראשונית משפיעה על קצב הקירור וקנטינות גבישיות.
  • (FLT:0)טופוגרפיה (DEM): ההרחבה 1 (DEM) 1FLT:1, לפחות 10 מ' החלטה אופקית מומלץ לחיזוי נתיב מדויק. Steeperמורדות ( ⁇ 30°) יכול לגרום האצה מהירה ומעבר מ laminar לזרימה סוערת.
  • (FLT:0) תכונות אוויריות: FLT:1 Density (בדרך כלל 2500-2800 ק"ג /m3), יכולת חום, מוליכות תרמית, הרשאות לקריירה קורנטיבית, ואת הפרמטרים הריאליים (לחץ כבד, אינדקס עקבי, מדידת זרימה) מדידות מעבדה על דגימות טבעיות הם תקן הזהב, אבל בפועל ערכים אלה מכווננים נגד התפרצויות קודמות.

תנאים מטושטשים במנזר: פרופיל מהירות קבוע (או קצב זרימה מסיבי קבוע) מוטל. על פני השטח הקרקע, מצב ללא-חול משמש, לעתים קרובות בשילוב עם גבול גלימה (למשל, העברת חום אחידה לסלע הבסיסי), פני השטח העליון הוא מודל כמו שער חינם או גבול מפלט: היכן קיים קרום, אין תנאים מפוימים שניתן להכיל לי מספיק זמן, אשר ניתן להאריך את גודלועני זה, אשר יכול להיות גבוה מספיק.

אימות ומחקרי מקרה

KLilauea 2018 Lower East Rift Zone Eruption

ההתפרצות של KLilauea Volcano על האי הוואיי יצרה אחד הזרמים ההיגוי ההרסניים ביותר בהיסטוריה האחרונה, הרס מעל 700 מבנים. תצפיות שדה אקסנסיבית, רחפנים ונתוני לוויין (למשל, ממצפה הר הגעש הוואי ו- USGS) מספקים ציון מצוין עבור דגמי FVM ו- SPHL, כדי לדמות את הפונקציה של ספקטרום 8FVD) של PHIUMD (הדגם קריטי של PH) ב-FV) PHILDLUMD (הדגם כולל PH) PHILDLUMFV) PHILDL.

הר אנה 2021 - Parsmal Episode

במהלך פברואר-מרץ 2021, הר אתנה בסיציליה חוו סדרה של מזרקות לב מרהיב, כל אחד מהם מייצר זרימה קצרה אך מהירה של לבה שקדמה כמה קילומטרים במורד Valle del Bove. תצפיות מהמכון הלאומי האיטלקי של Geophysics ו וולקניולוגיה (INGV) סיפק נתונים ברזולוציה עתירי גבוה על שיעורי ההיתוך וזרימה הקדמית דרך סימולציה סופית באמצעות משוואה של 5% (LSoked) אשר היה מסוגל לנבאדה על ידי שיעור הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של ירידה בינונית (ה) על פני סימולציה של סימולציה של ירידה של ירידה של סימולציה של ירידה של ירידה של 56% (הת סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של קרינת מים קרינת מים קרינת מים קרינת סימולציה של קרינת קרינת קרינת מים קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת מים קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת קרינת

אתגרים ומגבלות

למרות התקדמות משמעותית, ה-CDCD מדגימה של זרמי לבה עדיין ניצב בפני כמה מכשולים:

  • (FLT:0) חישוביות עלות: FLT:1 סימולציות גבוהות של התפרצות מלאה יכול לקחת ימים או שבועות על מחשבי העל, מה שהופך בזמן אמת חיזוי לא מעשי.אפילו 2D עומק מודלים (למשל, משוואות מים רדודות) דורשות תכנון מרש כדי להימנע מזמני ריצה.
  • (FLT:0) אי הוודאות הגאולוגית: 1FLT:1 הרנולוגיה של לבה טבעית אינה מובנת לחלוטין, במיוחד עבור ממזרים עשירים ומבוקשים. ניסויים מעבדה על דגימות מחוסמות עשוי לא לייצג את ההתנהגות של קירור מהיר, זרמים מטען גז.
  • (FLT:0) מרביקל פיזיקה: FLT:1 בועות בועות וצמיחה גבישית מתרחשים בקנה מידה של מיקרומטר למ"מ, בעוד זרימתם מתקדמת מעל קילומטרים. Bridging אלה בקנה מידה אחד (מודלים בקנה מידה גדול) הוא נושא מחקר פעיל.
  • (FLT:0) של נתונים בזמן אמת: FIRLT:1 במהלך התפרצות מתמשכת, קצב effusion וטמפרטורת לבה יכול להשתנות במהירות.מודלים CFD כי להניח קלט קבוע לא להיכשל לתפוס את השלבים של שעווה ורצון. שילוב נתונים תרמיים בזמן אמת ומיקום של לווינים (למשל, 7RS, Sentinel-2) לתוך מסגרת של מחזור נתונים מבטיח אך מאתגר.
  • (FLT:0) שינוי: FLT:1, ה- lava זורם עצמו משנה את הטופוגרפיה על ידי בניית אדמה חדשה (למשל, היווצרות דלה אם לבה נכנסת לים) רוב דגמי CFD מניחים טופוגרפיה קבועה, אשר עשוי להיות לא מדויק עבור התפרצויות ארוכות טווח.

כיוונים עתידיים

Machine Learning - Enhanced Simulations

מודלים של הפרדה המבוססים על למידה היברידית עמוקה (למשל, רשתות עצביות מבוכות או רשתות עצביות גרפיות) ניתן לאמן בספריה של סימולציות CFD קודמות לייצר תחזיות כמעט בלתי צפויות.אלה "ממריצים" יכולים לחזות נתיב ועובי שניתן לפלס פירוז וטופוגרפיה ללא פתרון משוואות נאכף-Stokes המלא.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

הטמעת נתונים בזמן אמת - תצפיות לוויין משעשעות עם תחזיות מודל CFD - יכולות להפחית את אי הוודאות ולשפר את מיומנות החיזוי.הסוגן ה-Clman מסנן חלקיקים הוחלו כדי להתאים פרמטרים rheological על זבוב כמו התקדמות הזרם.The FLT:0USGS Hazo Hazards Program ו- 10 תצפיות לוחיות:1 הוא השקעה בכלים התפעוליים שניתן להפעיל על מחשוב צנוע ולספק תצורה מעודכנת של 10.

מודלים זוגיים ל- Impact Assessment

גישות CFD עתידיות יהיו ככל הנראה יחד עם מודלים אחרים: פיזור אטמוספירי של גז וולקני ואפר, פליטה תרמית לנזק תשתיות, ואפילו מודלים כלכליים עבור סיווג סיכונים.מערכת זו-של מערכות מאפשר למנהלי חירום להעריך לא רק לאן הלהבה תלך, אלא גם מה יהיו ההשלכות של הדגם המשותף של CFD-thermal יכול לחזות את הטמפרטורה של זרימת לבה בשלב קריטי (זמן, עד לכשל).

מסקנה

Fluid Dynamics הפך חיוני להבנה וחיזוי הדינמיקה של זרמי לבה.על ידי פתרון המשוואות המשותפות של מסה, מומנטום ואנרגיה עם מודלים ריאליים תרמיים, CFD יכול לשחזר את המורכבות הנצפית של התפרצויות אמיתיות - מתופעות levee כדי לייעל את האתגרים של זמן חישובי, אופי ריאה, וזמינות, התקדמות בשיטות numical, למידה מהירה יותר, והם מספקים את חיידקנות גבוהה יותר ויותר את מרכזי של חומר זה יכול להמשיך את חיי המחשב הניידים.