научная статья по теме РАСТЕКАНИЕ ЛАВЫ ВО ВРЕМЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ПРИ УСЛОВИИ ЧАСТИЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ НА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «РАСТЕКАНИЕ ЛАВЫ ВО ВРЕМЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ПРИ УСЛОВИИ ЧАСТИЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ НА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 2 • 2015

УДК 532.516

РАСТЕКАНИЕ ЛАВЫ ВО ВРЕМЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ПРИ УСЛОВИИ ЧАСТИЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ НА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ

© 2015 г. Е. А. ВЕДЕНЕЕВА

МГУ им. М. В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики, Москва

Институт теории прогноза землетрясений математической геофизики РАН, Москва e-mail: el_vedeneeva@imec.msu.ru

Поступила в редакцию 29.05.2014 г.

В осесимметричном приближении решена задача о растекании лавы как несжимаемой жидкости постоянной вязкости по плоской горизонтальной поверхности. Вместо классического условия прилипания использовано частичное проскальзывание лавы на подстилающей поверхности — скорость на поверхности считается степенной функцией трения. В приближении тонкого слоя построено асимптотическое автомодельное решение задачи о медленном растекании жидкости из точечного источника при условии частичного проскальзывания на подстилающей поверхности и степенной временной зависимости расхода.

Эта же задача решена численно в полной постановке. Показано, что численное и асимптотическое решения хорошо согласуются друг с другом. Установлено, что при учете проскальзывания скорость распространения лавы может быть существенно выше, чем при использовании условия прилипания.

Ключевые слова: растекание вязкой жидкости, приближение тонкого слоя, частичное проскальзывание, автомодельное решение, лавовые потоки.

Лава как жидкий продукт вулканических извержений представляет собой сильновязкую жидкость со сложными свойствами [1, 2]. Вязкость лавы существенно зависит от ее химического состава, температуры, содержания в ней пузырьков газов и кристаллов. Лавовые потоки характерны для медленных извержений и малых расходов магмы. Моделированию растекания лавовых потоков посвящено немало работ, учитывающих различные аспекты течения (см., например, [3—12]). Во всех работах, за исключением [4], считается, что лава прилипает к поверхности, по которой растекается.

Однако известно, что условие прилипания к подстилающей поверхности для лавы не всегда выполнено [1, 2, 4]: на подстилающей поверхности зачастую формируется подслой, содержащий значительную долю обломков остывшей породы, который при растекании лавы может играть роль гусеничного механизма. Его образование связано с тем что, во-первых, лавовые потоки часто движутся по уже извергнутому ранее материалу, во-вторых, за счет остывания на их поверхности может образовываться "корка", которая растрескивается и обрушивается перед потоком. В основании застывших лавовых потоков этот подслой наблюдается в виде лавобрекчии — породы, представляющей собой обломки лавы, ей же сцементированные [2].

В настоящей работе на поверхности вместо условия прилипания ставится условие частичного проскальзывания: скорость на поверхности является степенной функцией трения с постоянным коэффициентом пропорциональности. Это условие — частный вид более общего условия, использованного в [4]. Применительно к изучению вулка-

нических извержений условие частичного проскальзывания в рассматриваемом виде было также использовано в недавней работе [13] при моделировании течения магмы в канале вулкана. Цель настоящей работы — исследование влияния граничного условия на подстилающей поверхности на скорость распространения и толщину лавовых потоков. Для этого задача решается в максимально упрощенной постановке: лава моделируется несжимаемой жидкостью с постоянной вязкостью, подстилающая поверхность считается плоской и горизонтальной, течение — осесимметричным.

В первой части настоящей работы (разделы 1, 2) считается, что лава растекается из точечного источника, а общий объем извергнутой магмы является степенной функцией времени; используется приближение тонкого слоя. При условии прилипания к поверхности такая задача имеет асимптотическое автомодельное решение [3, 14]: она сводится к решению одного нелинейного уравнения в частных производных второго порядка, которое методом разделения переменных преобразуется к обыкновенному нелинейному дифференциальному уравнению второго порядка. Отметим аналогичное асимптотическое автомодельное решение [15] задачи о растекании жидкости в случае турбулентных течений.

Условие прилипания для вязкой жидкости классическое, тем не менее в ряде задач проскальзывание на твердой поверхности более оправданно (см., например, обзор [16]). В задачах о растекании жидкости в приближении тонкого слоя условие проскальзывания использовалось в работах [17—25] для ньютоновской жидкости и в [4] для неньютоновской жидкости.

В [17—22, 24, 25] считается, что скорость на подстилающей поверхности пропорциональна касательному напряжению в первой степени. В [17—22] рассматривается растекание фиксированного объема жидкости. В [17—21] при изучении процесса растекания капли с учетом капиллярных сил условие проскальзывания используется в окрестности контакта переднего фронта капли с поверхностью, чтобы избежать появления неинтегрируемой особенности в этой области; в [22] условие проскальзывания используется в задаче о движении оползня.

В [24, 25] исследуется растекание жидкости по супергидрофобной поверхности. Здесь использование условия проскальзывания обусловлено свойствами самой поверхности, коэффициент пропорциональности между скоростью и трением на поверхности в общем случае не постоянен и является заданной функцией координат. Для такого вида закона проскальзывания в [24, 25] построены различные асимптотические автомодельные решения, аналогичные [3, 14].

В [23] рассматривается задача об образовании горных хребтов и разломов. Плоское движение пород моделируется как движение вязкой жидкости в слое на горизонтальной подстилающей поверхности в поле силы тяжести, вызванное движением точек подстилающей поверхности с постоянной скоростью к началу координат (хребет) или в противоположных направлениях (разлом). Использование условия проскальзывания вызвано движением самих точек подстилающей поверхности.

В [4] рассматривается растекание лавы из круглого канала по плоской горизонтальной подстилающей поверхности в осесимметричной постановке в рамках модели тонкого слоя, при этом лава считается неньютоновской жидкостью, подчиняющейся закону Гершеля—Балкли. В одном из разделов этой работы допускается, что лава может проскальзывать по подстилающей поверхности по закону несколько более общего вида, чем рассматривается в настоящей работе. Показано, что такая задача сводится к решению одного уравнения в частных производных, решение которого строится численно.

В данной работе построено решение задачи, аналогичной [3, 14, 24, 25], но при использовании условия частичного проскальзывания на подстилающей поверхности, когда скорость на поверхности является степенной функцией трения. Так же как и в [3, 14, 24, 25] задача сводится к решению нелинейного уравнения второго порядка в частных производных. Если показатель степени в функции, задающей общий объем

1- г.) н г = к(г, 0 --

""о 1

' г = ~(0 г

Фиг. 1. Схема течения и обозначения

извергнутом магмы, и показатель степени в законе проскальзывания связаны определенным образом, то решение этого уравнения методом разделения переменных сводится к решению обыкновенного нелинейного дифференциального уравнения второго порядка. В отличие от случая прилипания к поверхности, так же как и в [24, 25], это уравнение содержит параметр, значение которого должно быть найдено из решения самого уравнения. Полученное уравнение с параметром решается численно.

Эта же задача решена численно в полной постановке, когда для описания течения используются полные уравнения Навье—Стокса, а жидкость вытекает из круглого отверстия конечного радиуса. Проведено сравнение построенных асимптотического и полного решений.

1. Постановка задачи. Асимптотическое решение. Лава моделируется несжимаемой жидкостью с плотностью р и постоянной вязкостью ^. Подстилающая поверхность считается плоской и горизонтальной, течение — осесимметричным. Ось г направлена вертикально против действия силы тяжести g, ось г — по радиусу; и и w — радиальная и вертикальная компоненты скорости соответственно (фиг. 1).

Система уравнений, описывающая такое течение, состоит из уравнения неразрывности и уравнений Навье—Стокса. Рассматривается приближение тонкого слоя: считается, что характерная толщина слоя Н мала по сравнению с характерным радиусом растекания жидкости Я: е = Н/Я ^ 1. Тогда, в силу уравнения неразрывности, чтобы удержать в нем оба слагаемых, характерные скорости течения вдоль радиуса и0 и вертикальной оси w0 должны быть связаны соотношением: и0/w0 ~ Я/Н = 1/е, т.е. должны иметь разный порядок.

Скорость распространения лавовых потоков невелика, так что для порядка числа Рейнольдса всегда справедлива оценка: Яе = рНи0/ц ^ 1/е. Это позволяет пренебрегать в уравнении Навье—Стокса нестационарными и конвективными членами по сравнению с вязкими. Тогда из уравнений Навье—Стокса получается следующая оценка для изменения давления р по осям г и г

д(Р д(р -pgz) (др V др _ £2

дг дг \дг У дг

что позволяет пренебречь изменением давления вдоль оси г за счет вязких членов.

С учетом сказанного выше, пренебрегая слагаемыми порядка е2 и е ■ Яе по сравнению с членами порядка 1, полная система уравнений, описывающая течение, сводится к следующей [3, 14]

1 д , ч , ^ п

--(ги) +--= 0

г дг дг

2 .

др д и др

л = ^ТГ' я = дг дг2 дг

Для задачи ставятся следующие начальные и граничные условия. Считается, что магма растекается от точечного источника, так что общий объем извергнутой магмы ( является степенной функцией времени t

(2 = дв (1.2)

где д, р — некоторые константы. С точки зрения приложения к вулканическим извержениям имеют смысл только неотрицательные значения показателя Р, далее Р > 0.

На свободной поверхности выполнены кинематическое и динамическое (считается, что давление постоянно и отсутствуют касательные напряжения) условия

>/ .ч дк , дк ди п /1 1\

г = к(г, t): ^ = —+ и —, р = ро, — = 0 (1.3)

дt дг дг

В последнем условии оставлены только члены старшего порядка.

На подстилающей поверхности ставится условие проскальзывания

г = 0:

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком