[논문 리뷰] Unified Mechanical Erosion Model for Multi-phase Mass Flows

Shiva P. Pudasaini|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 22.

Landslides and related hazards인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 다상 유동에서의 기계적 침식을 위한 새로운 통합 모델을 제안한다. 침식면에서 상호작용하는 응력들을 도입함으로써 마찰, 충돌, 점성 응력에 기반한 고체 및 유체 침식 속도를 물리적으로 일관되게 계산할 수 있도록 한다. 이 모델은 포괄적인 침식 속도, 순동량 생성 및 침식에 의해 유도되는情관성을 질량 및 운동량 균형에 통합하여, 기계적으로 엄밀하고 동적으로 민감한 프레임워크를 제공함으로써 기존 모델의 한계를 극복한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다상 유동에서 기계적으로 일관된 통합 침식 모델의 부재를 해결하기 위해.
• 기존 침식 모델이 흐름과 저면 단계 간의 상호작용 응력을 고려하지 못하는 한계를 극복하기 위해.
• 마찰, 충돌, 점성 응력 메커니즘을 통한 일관된 응력 기반으로 고체 및 유체 침식 속도를 물리적으로 기반으로 한 프레임워크를 개발하기 위해.
• 침식에 의해 유도되는 관성력과 동량 생성을 통합함으로써 질량 유동의 거동 및 침전 패턴을 정확하게 예측할 수 있도록 하기 위해.
• 공학 및 지구물리학적 위험 평가에 적용 가능한 포괄적이고 기계적으로 엄밀한 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 마찰, 충돌, 점성 응력 원리를 바탕으로 랜드스립 흐름과 저면 사이의 침식면에서 상호작용하는 응력을 도입하기 위해.
• 고체 및 유체 상의 침식 속도의 합으로서 통합된 침식 속도를 정의하며, 각각은 일관된 물리적 메커니즘에 기반한다.
• 유동과 저면 응력 간의 상호작용에 기반한 입자 및 유체의 복합 침식 속도를 정의하기 위해.
• 모든 고체-유체 및 유동-저면 상호작용을 포함한 완전한 순동량 생성 항을 구성하기 위해.
• 질량 및 운동량 보존 방정식에 광범위한 침식 속도와 침식에 의해 유도되는 관성력을 통합하기 위해.
• 모든 구성 요소를 하나의 기계적으로 일관된 프레임워크에 통합하여 포괄적인 다상 모델을 개발하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다상 유동에 대해 고체 및 유체 상을 모두 고려하는 통합 기계적 침식 모델을 어떻게 구축할 수 있는가?
• RQ2 마찰, 충돌, 점성 응력과 같은 상호작용 응력은 흐름-저면 인터페이스에서 침식 속도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 입자 및 유체의 침식 속도는 침식 인터페이스에서 물리적이고 일관된 방식으로 어떻게 유도될 수 있는가?
• RQ4 순동량 생성 항(침식에 의해 유도되는 관성 포함)이 침식성 질량 유동의 전체 역학에 기여하는 바는 무엇인가?
• RQ5 제안된 모델은 기존 침식 모델의 기계적 및 동적 한계를 어떻게 극복하는가?

주요 결과

• 침식면에서 마찰, 충돌, 점성 응력을 조합함으로써 물리적으로 일관된 침식 속도 계산 프레임워크를 도입하였다.
• 침식 속도는 고체 및 유체 상 기여의 합으로 유도되었으며, 각각은 별개이지만 일관된 기계적 원리에 기반한다.
• 입자 및 유체의 복합 침식 속도는 유동과 저면 응력 간의 상호작용에 기반하여 구성되었으며, 정확한 동량 이행을 가능하게 하였다.
• 순동량 생성 항은 침식에 의해 유도되는 관성까지 포함하여 완전히 고려되었으며, 동역학적 일관성을 확보하였다.
• 모든 상호작용을 질량 및 운동량 균형에 통합함으로써 기계적 우수성과 동적 유연성을 입증하였다.
• 기존 모델의 심각한 한계를 극복하기 위해, 다상 유동에서 물리적으로 올바르고 포괄적인 침식 역학을 가능하게 하였다.