Численное моделирование эволюции лавового купола на вулкане Колима VOF и SPH методами
Автор: Цепелев Игорь Анатольевич, Стародубцев Илья Сергеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
Потоки лавы при извержении вулканов могут иметь катастрофические последствия как для жизни человека, так и для окружающей среды. Моделирование подобных ситуаций представляет собой важную научную задачу. Основными движущими силами в эволюции упомянутых лавовых потоков являются гравитационные силы, силы вязкого трения на поверхности разлива и процессы кристаллизации расплавленных пород в лавовые плато, трубки и купола. По характеру процесса и составу выходящего материала все вулканические извержения делятся на три типа: эксплозивные (взрывные, с выбросом большого объема газов и твердых элементов; лава не вытекает или вытекает в небольшом количестве), экструзивные (выдавливается густая вязкая магма) и эффузивные (лава изливается и растекается по земной поверхности или океаническому ложу). В данной работе изучается экструзивное извержение. Его математическая модель включает в себя уравнение Навье-Стокса, уравнение несжимаемости, уравнение переноса вязкой фазы, а также соответствующие начальные и граничные условия. Рассматриваются и сравниваются модели потоков вулканической лавы в рамках постановок Эйлера (Volume Of Fluid - VOF) и Лагранжа (Smooth Particle Hydrodynamic - SPH). Для проведения компьютерных вычислений привлекаются пакеты ANSYS Fluent, OpenFOAM и библиотека SPlisHSPlasH. Соответствующие алгоритмы реализуются на языке C++. Осуществляется численное моделирование эволюции реального лавового купола, сформировавшегося на вулкане Колима (Мексика) в феврале-марте 2013 года. Для этого эксперимента используется информация о динамике роста лавового купола, собранная во время извержения. Демонстрируется, как компьютерное моделирование позволяет установить зависимость морфологии лавового купола от реологических свойств высоковязкой жидкости и интенсивности истечения лавы.
Вязкая жидкость, многофазная жидкость, уравнения навье-стокса, краевая задача, численное моделирование, гидродинамика гладких частиц, вулканические извержения, вулкан колима
Короткий адрес: https://sciup.org/143179212
IDR: 143179212 | УДК: 519.63 | DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.3.20
The numerical modeling of lava dome evolution at volc'an de Colima using VOF and SPH methods
Lava flows from extrusive volcanic eruptions can have catastrophic consequences both for human life and the environment. Modeling such situations is an important scientific problem. The main driving forces in the evolution of the mentioned lava flows are gravitational forces, viscous friction forces on the surface of the spill, and the processes of crystallization of molten rocks into lava plateau, tubes, and domes. In this paper, the mathematical model of an extrusive volcanic eruption includes the Navier-Stokes equation, the incompressibility equation, the viscous phase transfer equation, as well as the corresponding initial and boundary conditions. Mathematical models of volcanic lava flows are considered and compared within the Euler (Volume Of Fluid - VOF) and Lagrange (Smooth Particle Hydrodynamic - SPH) formulations. ANSYS Fluent, OpenFOAM, and SPlisHSPlasH packages were used for computer simulation. Computer simulation algorithms for the problem are implemented in C++ language. Numerical modeling of the evolution of a real lava dome formed at the Colima volcano (Mexico) in February-March 2013 was carried out. For this experiment, information about the dynamics of lava dome growth, collected during the eruption, was used. It is shown how the computer simulation approach makes it possible to establish the dependence of the lava dome morphology on the rheology of a highly viscous fluid and the intensity of lava outflow.
