地形对颗粒驱动重力流影响的模拟实验研究

Experimental study of topographic effects on particle-driven gravity currents

颗粒驱动重力流由悬浮在流体中的颗粒提供驱动力并侵入到环境流体之中,交换流体实验研究是理解此类流体运动本质的主要手段之一。将颗粒驱动重力流与自然火山碎屑密度流的流体参数进行正确配比,能够理解火山碎屑密度流的流动和堆积过程的本质。本文介绍了火山碎屑密度流及其物理模拟实验研究,并对其物理本质(颗粒驱动重力流)的箱子模型进行推导。通过在实验水箱中模拟不同的地形变化,对颗粒驱动重力流在遇到地形变化时的运动特征和颗粒堆积特征进行研究。本论文设定了两种地形障碍对颗粒驱动重力流的影响模式:横亘的限定高度障碍物和侧向部分遮挡障碍物。横亘障碍物对流体底界形成整体阻挡;侧向部分遮挡障碍物在垂直方向上对流体侧界形成阻挡,对流体底界形成部分阻挡。通过记录流体遇到障碍物时的现象,获取流体前锋速度,测定颗粒堆积密度,评估横亘障碍物高度(小于或等于流体前锋高度),侧向遮挡程度对成分/颗粒驱动重力流流动特征和堆积特征的影响为:(1)成分重力流在通过有限高度横亘阻挡时,不同高度障碍物对流体的运动状态产生的影响体现为流体重新回到"惯性—浮力相"的距离长短和前锋减速特征不同。当障碍物高度分别相当于流体前锋高度的～1/3、～2/3和～1/1时,流体重回"惯性—浮力相"所需的距离为障碍物高度的35.1～38.6倍、12.0～18.1倍和2.1～4.3倍,三者不呈现线性关系;在通过上述高度横亘阻挡之后,流体前锋速度按照t^(5/6),t^(3/4)和t^(2/3)衰减。(2)颗粒驱动重力流体通过相当于其前锋高度的1/3、2/3和1/1横亘障碍物之后,无量纲化流体前锋运动特征的L/T斜率分别为～2/9、～1/9和～1/16。不同位置、相同高度的横亘阻挡对流体前锋减速模式产生相同的影响;流体前锋在通过较高障碍物之后的减速更加明显。h_b^(6.9)h_b^(7.2)h_b^(15)(3)与通过较高障碍物相比,当颗粒实验流体通过较低障碍物时,其堆积曲线下降较缓慢。当流体通过高度分别为流体前锋高度的～1/3、～2/3和～1/1的障碍物之后,堆积曲线呈现出、和的变化特征。与距离较近的障碍物相比,距离较远的障碍物对颗粒驱动重力流通过障碍物之后颗粒堆积的影响更大。(4)侧向遮挡对成分重力流体流动状态的影响具有滞后性。阻挡比例越小,这种滞后性越明显。当盐水流体通过占水箱宽度1/4挡板之后,其前锋位置的变化特征为t^(0.771),通过占水箱宽度1/2挡板之后为t^(0.700),通过占水箱宽度3/4挡板之后为t^(0.623),未呈现线性关系。(5)不同程度侧向遮挡对颗粒驱动流体前锋运动特征、沉积特征和堆积结果的影响表现出复杂性:在颗粒驱动重力流体通过侧向遮挡之后的最初一段距离内,流体前锋速度没有较大的改变。随着挡板宽度的增加,经过挡板之后的实验流体将会更快地进入减速阶段。与较宽挡板相比,颗粒驱动重力流在通过较窄挡板之后的堆积曲线下降较平缓。在经过相同宽度的挡板之后,初始约化重力大的流体,在经过挡板之后堆积曲线下降的越平缓。与参考实验流体相比,通过1/4遮挡的流体前锋速度与参考实验流体相当,并在后期超越参考实验流体,在遮挡位置之后的堆积物总量也大于参考实验流体;通过1/2遮挡的流体前锋速度在无量纲时间T<100内明显下降,在T>100之后加速超过参考实验流体,最终堆积总量小于参考实验流体;通过3/4遮挡的颗粒驱动重力流前锋速度和堆积结果都有显著下降。利用流体力学相似性原理,对实验流体的各项参数进行无量纲分析并与天然火山碎屑密度流进行对比。本论文的研究内容能够代表低密度火山碎屑流的物理特征,并适用于以下两种地质情况:(1)火山碎屑密度流翻越(破)火口缘的运动和堆积特征;(2)火山碎屑密度流通过曲折山谷的运动和堆积特征。根据本文实验的启示,对长白山天池火山八卦庙期火山碎屑流在火山口缘内外分布特征进行初步探讨;对1991年日本云仙岳火山碎屑流造成的人员伤亡原因进行初步探讨。本文的研究细化了火山碎屑密度流在遇到不同形态障碍物时的流态变化,为火山灾害评估提供更详细的解决方案;在实验过程中所摸索出来的一些经验和实验技术,为实验火山学的进一步发展提供经验。