[논문 리뷰] A multi-phase thermo-mechanical model for rock-ice avalanche

Shiva P. Pudasaini|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 09.

Landslides and related hazards인용 수 10

한 줄 요약

본 연구는 rock-ice-fluid 다상(암석-빙-유체) 열역학 모델을 개발하여, 열전달, ice-melt, entrainment, 및 암석, 빙, 유체 상 간의 질량/운동량 교환을 연결하는 일반 온도 방정식과 통합 빙해 융해 공식 을 도출한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 변화하는 온도로 다상 시스템으로서의 암석-빙-유빙 산사태를 모델링할 필요성 제시.
• 산사태의 덩어리에 대한 일반적이며 동적으로 진화하는 온도 방정식 도출.
• 얼음 융해, 바닥 포섭, 및 상 간 질량/운동량 교환을 하나의 통합 모델로 포함.
• 열역-기계 과정에 대한 깊이 평균화 폐쇄식 제시로 실용적 시뮬레이션 가능하게 함.

제안 방법

• 암석, 빙, 유체를 세 가지 구성요소로 포함하도록 다상 질량 흐름 프레임워크를 확장.
• 경계 열 교환 및 바닥 전도 포함을 포함한 열생산/손실 항을 가진 일반 온도 방정식을 도출하고 깊이 평균화.
• 마찰가열 열생성 항과 얼음 융해 소멸 항을 깊이 평균화된 폐쇄식으로 형식화.
• 마찰 가열 및 온도 변화에 의한 융해를 포함하는 두 가지 얼음 융해 메커니즘을 도출하고 총 융해율에 대한 선형 혼합 파라미터로 통일 제안.
• 내부 질량 및 운동량 교환, 바닥으로부터의 포섭, 상 역학과 온도 진화 간의 결합을 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도 진화를 포함하는 실제로 3상 시스템으로 암석-빙-유빙 산사태를 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 산사태 덩어리에 대한 일반적이며 동적으로 진화하는 온도 방정식은 무엇이며, 얼음 융해가 역학에 어떤 피드백을 주는가?
• RQ3 마찰 가열, 경계 열 교환, 포섭이 얼음 융해율 및 전체 열역-기계 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 얼음 융해율을 깊이 평균 질량 및 운동량 균형에 어떻게 통합하고 구체화할 수 있는가?
• RQ5 변하는 온도에서 암석-빙-유빙 산사태를 시뮬레이션하기 위한 주요 열역-기계 폐쇄식은 무엇인가?

주요 결과

• 암석, 빙, 유체를 동적으로 진화하는 온도 방정식과 결합하는 새로운 다상 열역학 모델.
• 경계 열 교환 및 바닥 전도까지 포함하는 이동-확산 열전달의 깊이 평균 프레임워크.
• 형식적으로 도출된 마찰 열생성 항과 관련된 얼음 융해율, 빙 특성 및 전단과 연결된 융해 소멸 메커니즘.
• 마찰 가열 및 온도 변화 효과를 선형 혼합 파라미터를 통한 통일된 얼음 융해율로 결합.
• 상 질량/운동량 균형과 온도 방정식 간의 강한 결합을 보여 주어 암석-빙-유빙 산사태 시뮬레이션에 대한 완전한 동적 해를 가능하게 함.