[論文レビュー] A multi-phase thermo-mechanical model for rock-ice avalanche

Shiva P. Pudasaini|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Landslides and related hazards被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、岩石・氷・流体のマルチフェーズ（岩石-氷-流体）熱機械モデルを新規に提案し、熱伝達、氷融解、巻き込み、質量・運動量の交換を岩石・氷・流体の各相間で結合する一般的な温度方程式と統一氷融解定式を導出する。

ABSTRACT

We propose a novel multi-phase thermo-mechanical rock-ice avalanche model. It considers rock, ice and fluid; includes rigorously derived ice melt rate, melting efficiency dependent fluid production rate and a general temperature equation. It explains advection-diffusion of heat including heat exchange across the avalanche, basal heat conduction, production and loss of heat due to frictional shearing and changing temperature, and temperature enhancement due to entrainment. Temperature equation couples rates of thermal conductivity and temperature. Ice melt intensity determines these rates as mixture conductivity evolves, characterizing thermo-mechanical processes. The model includes interfacial mass and momentum exchanges and mass and momentum productions due to entrainment. The latter significantly changes the state of temperature; yet, the former characterizes the rock-ice avalanche. Phase mass and momentum balances and temperature are coupled. New model offers the first-ever complete dynamical solution for rock-ice avalanche with changing temperature and ice melting. We develop an advection-diffusion-decay-source model and its analytical solutions providing novel understanding of temperature evolution. The 2021 Chamoli event simulations with r$.$avaflow (https://www.landslidemodels.org/r.avaflow/) illustrate the functionality of thermo-mechanical rock-ice avalanche model. Four scenarios are considered: variations in ice-melt-efficiency; fraction of ice; ice and rock frictions; governing the process of melting, flow transformation, spreading and mobility. Ice melting designates the motion and explains the rock-ice avalanche mobility: a phenomenal thermo-mechanical play. Essentially different controls of ice and rock frictions on the state of flow mobility are revealed, explaining complex thermo-mechanical processes. This provides a useful method for practitioners and engineers in solving problems associated with rock-ice avalanches.

研究の動機と目的

• 温度が変化する岩石-氷の雪崩を多相系としてモデル化する必要性を動機づける。
• 雪崩全質量の一般的で動的に変化する温度方程式を導出する。
• 氷の融解、基底の巻き込み、および相間の質量/運動量交換を統一モデルに組み込む。
• 実用的なシミュレーションを可能にする熱機械過程の深さ平均閉包を提示する。

提案手法

• 岩石、氷、流体を三成分としての多相質量流モデルへ拡張する。
• 境界熱交換と基底伝導を含めて、熱生成と損失項を含む一般的な温度方程式を導出し、深さ平均化する。
• 摩擦せん断加熱と氷融解散逸項を深さ平均閉包で定式化する。
• 2つの氷融解機構（摩擦加熱と温度変化駆動融解）を導出し、総融解速度の統一的な線形混合表現を提案する。
• 内部の質量・運動量交換、床からの巻き込み、相ダイナミクスと温度進化の結合を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度進化を含む真に三相系として岩石-氷の雪崩をどのようにモデル化できるか。
• RQ2 雪崩質量の一般的で動的に進化する温度方程式は何か、そして氷融解は動力学にどのようにフィードバックするか。
• RQ3 摩擦加熱、境界熱交換、巻き込みが氷融解速度と全体的な熱機械状態にどう影響するか。
• RQ4 氷融解率をどのように統一して深さ平均質量・運動量収支に組み込むか。
• RQ5 温度変化を伴う岩石-氷の雪崩をシミュレートするために必要な主要な熱機械閉包は何か。

主な発見

• 動的に進化する温度方程式と結合した、岩石・氷・流体を結ぶ新規の多相熱機械モデル。
• 境界熱交換と基底伝導を含む、移流拡散熱輸送の深さ平均フレームワーク。
• 厳密に導出された摩擦熱生成項とそれに対応する氷融解速度、および氷の性質とせん断に結びつく形式的融解散散機構。
• 摩擦加熱と温度変化の効果を線形混合パラメータで結合した統一的な氷融解率。
• 相の質量・運動量収支と温度方程式との強い結合を示し、岩石-氷雪崩の動的解法を完全に可能にする。