[論文レビュー] Unified Mechanical Erosion Model for Multi-phase Mass Flows

Shiva P. Pudasaini|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Landslides and related hazards被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、滑落流と床面の界面における相互作用応力の導入により、多相流における機械的一貫性を持つ、包括的な固体および流体の侵食速度を物理的に整合的に計算可能な、画期的な統合型機械的侵食モデルを提示する。このモデルは、全般的な侵食速度、ネット運動量生成、および侵食に起因する慣性を質量および運動量収支に統合し、機械的に厳密で動的柔軟性に富んだ枠組みを提供する。これにより、従来のモデルが抱える限界を克服する。

ABSTRACT

Erosion poses a great challenge in multi-phase mass flows as it drastically changes flow behavior and deposition pattern by dramatically increasing their masses, adversely affecting population and civil structures. There exists no mechanically-explained, unified multi-phase erosion model. We constitute a novel, unified and comprehensive mechanical erosion rates for solid and fluid phases and demonstrate their richness and urgency. This is achieved by seminally introducing interacting stresses across erosion-interface. Shear resistances from the bed against shear stresses from the landslide are based on consistent physical principles including frictional, collisional and viscous stresses. Proposed multi-phase interactive shear structures are mechanically superior and dynamically flexible. Total erosion rate is the sum of solid and fluid erosion rates which are mechanically extensive and compact. Erosion rates consistently take solid and fluid fractions from the bed and customarily supply to solid and fluid components in the flow. This overcomes severe limitations inherited by existing models. For the first time, we physically correctly construct composite, intricate erosion velocities of particle and fluid from the bed and architect the complete net momentum productions that include all interactions between solids and fluids in the landslide and bed. We invent stress correction, erosive-shear-velocity, super-erosion-drift and erosion-matrix characterizing erosion processes. By embedding well constrained extensive erosion velocities, unified erosion rates and net momentum productions including erosion-induced inertia into mass and momentum balances, we develop a novel, mechanically-explained, comprehensive multi-phase model for erosive mass flows. The new model offers great opportunities for practitioners in solving technical, engineering problems related to erosive multi-phase mass flows.

研究の動機と目的

• 多相流における侵食を機械的に一貫性を持たせた統合的モデルが不足しているという問題に取り組む。
• 流体と床面の相の間の相互作用応力を考慮しない従来の侵食モデルの限界を克服する。
• 摩擦的・衝突的・粘性的応力機構を一貫して用いる物理的根拠に基づく枠組みを構築し、固体および流体の両方の侵食速度を捉える。
• 侵食に起因する慣性および運動量生成を組み込むことで、質量流れの挙動および堆積パターンの正確な予測を可能にする。
• 工学的および地球物理的災害評価に適用可能な包括的で機械的に厳密なモデルを提供する。

提案手法

• 滑落流と床面の界面に、摩擦的・衝突的・粘性的応力の原則に基づく相互作用応力を導入する。
• 固体相および流体相の侵食速度の和として統合された侵食速度を定式化し、それぞれが一貫した物理的メカニズムに基づくようにする。
• 粒子および流体の複合侵食速度を、界面における機械的相互作用に基づいて定義する。
• すべての固体-流体および流れ-床面の相互作用を含む完全なネット運動量生成項を構築する。
• 広範な侵食速度および侵食に起因する慣性を質量および運動量保存方程式に組み込む。
• すべての要素を一つの機械的に一貫した枠組みに統合することで、包括的な多相モデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多相流における侵食を、固体および流体両相を考慮した機械的に一貫した統合型モデルとして構築するにはどうすればよいか？
• RQ2 摩擦的・衝突的・粘性的応力という相互作用応力が、流れ-床面界面における侵食速度に果たす役割は何か？
• RQ3 粒子および流体の侵食速度を、侵食界面からの物理的かつ一貫した導出方法でどのように定義できるか？
• RQ4 ネット運動量生成（侵食に起因する慣性を含む）が、侵食性質量流れの全体的力学に果たす貢献は何か？
• RQ5 提案されたモデルは、従来の侵食モデルの機械的および動的限界をどのように克服するか？

主な発見

• 本モデルは、侵食界面における摩擦的・衝突的・粘性的応力の統合により、物理的に一貫した侵食速度の計算フレームワークを提供する。
• 侵食速度は、それぞれ異なるが一貫した機械的原理に基づく固体相および流体相の寄与の和として導出される。
• 粒子および流体の複合侵食速度は、流れと床面の応力の相互作用に基づいて構築され、正確な運動量移動を可能にする。
• ネット運動量生成項は完全に考慮され、侵食に起因する慣性を含むことで、動的整合性が確保される。
• 質量および運動量収支にすべての相互作用を統合することで、本モデルは機械的優位性と動的柔軟性を示す。
• 統合的定式化により、従来のモデルが抱える深刻な限界を克服し、多相流における物理的に正しい包括的侵食力学を実現する。