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卷吸 | Entrainment

重力流将周围的空气(流体)携带的过程都称作卷吸。这个过程发生在岩浆房、火山碎屑流、火山烟羽等许多火山流体作用过程中。现以火山喷发柱(火山烟羽)和重力流为例进行简单说明。

在火山喷发柱中,喷发柱动力学的改变,很重要的一点就是卷吸作用将周围的空气卷入到喷发柱混合物中,降低了喷发柱的密度。

在重力流的流动过程中,以下两种流体混合方式对重力流的动力学性质具有重要影响:

裂片和裂缝不稳定

Lobe-and-cleft instability

重力流前锋的卷吸不稳定。在重力流向前运动时,流体前锋“骑在”密度较低的空气中,所导致的重力不稳定。

开尔文-亥姆霍兹不稳定性

Kelvine-Helmholtz instability

流体边界混合区域的剪切不稳定。在重力流运动过程中,湍流是重力流与上覆大气之间的剪切力足够克服稳定密度分层是出现的。

重力流的两种不稳定.A,K-H不稳定,两个界面的形态卷曲称为巨浪(billow.B, 裂片和裂缝不稳定(Lobe-and-cleft(Simpson, 1997)

这两种重力/密度不稳定导致了重力流/火山烟羽在运动过程中与周围大气混合,逐渐降低流体密度,最终流体的密度与环境密度相等,令流体消散或停止运动。

K-H不稳定出现在重力流上部与环境流体(如大气)的界面上,是由于两种流体的密度、速度差导致的。如果将流体密度差定义为g’,流体速度变化定义为U/hK-H不稳定会出现在特定的数值区间。在这里,可以将理查德森数作(Ri)为相关的无量纲数,形式定义为(g'hU2)K-H不稳定通常发生在Ri<1/4的情况下。重力流头部的高度、巨浪的大小都能够反应K-H不稳定程度(Simpson, 1997)。

参考文献

Simpson JE. 1997. Gravity currents. In the Environment and the Laboratory. 2nd ed. Cambridge University Press. 1-244.