火山噴火における変形や合体をともなう気泡運動の理論的研究

火山喷发过程中伴随变形与聚结的气泡运动理论研究

基本信息

批准号：
21J11749
负责人：
丸石崇史
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11749/
关键词：
気泡合体火山玄武岩質マグマ気液二相流

项目摘要

当初は天然噴出物の分析を行う予定であったが、分析するうえで気泡成長の効果が無視できないことが判明した。そのため本年度は、代わりに理論式に気泡成長の効果をあらたに組み込む定式化を行い、気泡の成長と合体の両方が起こる場合の気泡サイズ分布(BSD)のふるまいを調べた。はじめに九州大・大橋正俊助教と共同研究を行い、成長する気泡の合体時間スケールを実験的に明らかにし、論文に成果をまとめた (Ohashi, Maruishi, & Toramaru, 2022)。その結果を踏まえ、前年度に得られていた衝突頻度関数の理論的枠組みを応用することで、気泡成長の衝突頻度関数を導出した。次に粘性制限成長、拡散制限成長、断熱膨張という3つの駆動力を考慮し、数値シミュレーションによってBSDの時間進化を調べた。その結果、拡散律速成長の場合には、BSDは-0.5の傾きを持つべき乗則を示し、BSDの幅は対数的に増加し、約2桁の大きさに収束することが明らかになった。一方、他の駆動力の場合には、BSDは-2の傾きを持つべき乗則を示し、BSDの幅は指数関数的またはより急速に増加し、発散することが明らかになった。拡散制限成長の場合には揮発性物質の拡散フラックスが低いため、大きな気泡はゆっくりと成長し合体が遅くなる、一方で他の駆動力では気泡は大きくなるにつれて速く成長し合体も速くなる。これらの結果を用いると、BSDの傾きからは合体の駆動力を区別することができ、BSDの幅からは気泡合体のタイムスケールを推定できる。以上のように本年度得られた結果は、噴出物の気泡組織から得られるBSDの解釈へ応用可能なものである。本年度の最後には、以上の結果をまとめた博士論文を執筆することで学位を取得した。

最初的计划是分析自然喷射物，但很明显，在分析中不能忽视气泡生长的影响。因此，今年我们制定了一个新公式，将气泡生长的影响纳入理论方程，并研究了气泡生长和聚结同时发生时气泡尺寸分布（BSD）的行为。首先，我们与九州大学的 Masatoshi Ohashi 助理教授进行了联合研究，通过实验阐明了生长气泡的合并时间尺度，并在论文中总结了结果（Ohashi, Maruishi, & Toramaru, 2022）。基于该结果，我们应用前一年获得的碰撞频率函数的理论框架推导了气泡生长的碰撞频率函数。接下来，我们通过数值模拟研究了 BSD 的时间演化，考虑了三种驱动力：粘度限制增长、扩散限制增长和绝热膨胀。结果表明，在扩散控制生长的情况下，BSD呈现出斜率为-0.5的幂律，并且BSD的宽度呈对数增加并收敛到大约两个数量级的量级。另一方面，在其他驱动力的情况下，BSD 表现出斜率为-2 的幂律，并且 BSD 的宽度呈指数增长或更快地发散。在扩散限制生长的情况下，由于挥发物的扩散通量低，大气泡生长缓慢并且聚结缓慢，而在其他驱动力的情况下，随着气泡变大，气泡生长得更快并且聚结得更快。利用这些结果，可以从 BSD 的斜率区分气泡合并的驱动力，并且可以从 BSD 的宽度估计气泡合并的时间尺度。如上所述，今年获得的结果可以应用于从喷射物气泡结构获得的BSD解释。今年年底，我通过撰写总结上述成果的博士论文获得了学位。