Французские ученые смоделировали движение подводных лавин

Схематическое изображение процесса обрушения

Схематическое изображение процесса обрушения "уступа" из гранул в жидкости под действием силы тяжести. (кликните картинку для увеличения)

11.11.2012 (11:04)
Просмотров: 2725
Рейтинг: 2.00
Голосов: 2

Теги:
вулкан, цунами, лавина, модель, жидкость,
Естественные науки >> Физика






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Подводные извержения вулканов могут стать источником смертельных цунами или повреждений нефтяных платформ. Но понимание процессов, происходящих при подобных извержениях, затруднено из-за сложной смеси воды и гранул из твердых пород на дне. Новая двумерная модель, предложенная французскими учеными, имитирует процесс обрушения стенки из подобных гранул, погруженных в жидкость, путем расчета сил, действующих на каждую гранулу в отдельности. Результаты моделирования показывают, что имеют место два противодействующих эффекта, в результате которых сначала обрушение сдерживается, а затем – частицы равномерно рассыпаются по дну. Предложенная модель может в будущем помочь в моделировании рисков в подводной среде, а также в оптимизации методов обработки в воде, использующихся в пищевой и сталелитейной промышленности.

В 1929 году подводная лавина, вызванная землетрясением у берегов Ньюфаундленда, распространилась почти на 400 миль, повредив при этом 12 трансатлантических телеграфных кабелей. Столь большие площади поражения характерны для подводных тектонических процессов. Но до сих пор ученые не обладали детальным объяснением этого факта, поскольку сосредоточили свое внимание на так называемых «сухих» лавинах и оползнях. Процессы, происходящие в жидкости, моделировать сложнее, ведь, с одной стороны, жидкость может уменьшать взаимное движение отдельных частиц за счет когезии, а с другой – помогает им скользить друг о друга. Предыдущие исследования этого процесса базировались на упрощенном процессе, когда в поток жидкости добавлялось небольшое число гранул. Подобные методики не давали детальных результатов, поскольку большинство смесей, задействованных в промышленности (и присутствующих в интересующей ученых среде), имеют почти равные доли твердых гранул и жидкости.

В ответ на эту проблему группа ученых из University of Montpellier 2 (Франция) предложила свою модель расчета «гранулированных» потоков в жидкой среде. Как и в аналогичных работах с сухими смесями, они сосредоточили свое внимание на ситуации обрушения уступа из гранулированного материала под действием силы тяжести.

Для проведения вычислений команда разделила процесс на дискретные отрезки времени, для каждого из которых рассчитывались силы, действующие на отдельные гранулы в жидкости, а также характеристики движения самой жидкости. Расчет похож на описание ситуации для сухой гранулированной смеси, но содержит в себе вклад жидкости: давление и когезию. Поскольку все эти вычисления требуют значительных ресурсов, команда приняла решение сократить размерность эксперимента до 2D. По мнению ученых, такой шаг оправдан, поскольку двумерные модели для сухих гранулированных смесей ранее продемонстрировали хорошую связь с результатами трехмерных экспериментов.

Вычислительный эксперимент был проведен для разных параметров системы, как в присутствии жидкости, так и при ее отсутствии. Хотя расстояние, на которое распространились «разрушения», в обоих случаях были одинаковыми, существенно различалось время протекания процесса. Процесс в воздухе происходил почти в 2 раза быстрее, чем в жидкости. Команда объясняет это средней кинетической энергией системы: в присутствии жидкости падающие гранулы теряют часть своей потенциальной энергии за счет движения самой жидкости, но позже жидкость начинает поддерживать горизонтальный поток частиц, возвращая энергию почти полностью.

В ближайшем будущем команда планирует расширить свою работу на третье измерение, изучив процесс формирования волны в жидкости. Эти эксперименты помогут ученым оценить риски от цунами, генерируемых подводными землетрясениями, как для отдельных техногенных установок, так и для целых прибрежных районов.

Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:







Rambler's Top100