脉冲重力流加速传播机制：多尺度实验与数值模拟揭示的侵入体减阻效应

《Journal of Fluid Mechanics》：The accelerated propagation of pulsed gravity currents

本研究针对脉冲释放重力流传播动力学这一前沿问题，通过物理实验、深度平均浅水方程模型和三维格子玻尔兹曼方法模拟，首次揭示了短延迟脉冲释放可通过形成侵入层显著加速流动前缘传播。研究发现，脉冲间隔时间(非维化延迟时间re)是决定流动加速与否的关键参数：短延迟(re≈5)使脉冲流速度超越等体积瞬时释放流，而长延迟(re≈15)则导致减速。深度解析模拟表明，侵入体减阻机制是加速主因，而传统浅水模型因无法解析侵入体形态而低估此效应。该成果对火山碎屑流、浊流等地质灾害预测模型改进具有重要启示。

　　

在地球科学和工程领域，重力驱动流动是一类普遍存在的自然现象。从火山喷发形成的炽热火山碎屑流，到海底沉积物搬运的浊流，再到工业过程中的颗粒物料输送，这些由密度差异驱动的流动深刻影响着自然环境与人类活动。传统上，研究者们常采用“锁闸释放”这一理想化模型来模拟重力流的产生与传播：在一条水槽中，用闸门分隔密度较大的流体与环境流体，当闸门瞬间开启，压力差将驱动重力流沿槽道传播。然而，自然界中的许多重力流并非一次性释放，而是以脉冲形式先后发生。例如，1997年苏弗里埃尔火山喷发时产生了三次明显的脉冲式碎屑流；海底峡谷中的斜坡失稳也可能导致沉积物多次滑塌，形成序列性浊流。这种脉冲式释放会如何改变重力流的传播速度与演化路径？它究竟是加剧还是缓解了相关的灾害风险？长期以来，人们对这一关键动力学过程的认识仍相当模糊。

为了回答这一问题，由Damilola Adekanye领衔的研究团队在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了题为“The accelerated propagation of pulsed gravity currents”的研究论文。他们综合运用了物理尺度实验、基于深度平均的浅水方程模型和三维深度解析的格子玻尔兹曼方法，对脉冲释放重力流进行了多角度的精细研究。研究人员设计了一套创新的双阶段锁交换实验装置，能够精确控制两次密度流体释放的时间间隔。通过对比不同非维化延迟时间_re下的流动演化，他们得出了一个反直觉的结论：与一次性释放等体积流体相比，间隔时间较短的脉冲释放反而能产生传播更快的重力流！这一发现对基于瞬时释放假设的传统地质灾害评估模型提出了挑战。

研究人员开展此项研究主要依赖于三类关键技术方法的整合应用。首先是物理实验方法，在5米长水槽中进行双锁盒序列释放实验，通过高速摄像追踪脉冲前缘位置，浮力雷诺数Re_b约6000。其次是数值模拟方法，包括基于浅水方程的深度平均模型，该模型通过Lax-Wendroff有限差分法求解，并采用Ungarish & Zemach提出的弗劳德数条件；以及基于格子玻尔兹曼方法的深度解析三维模拟，该方法在VirtualFluids代码中实现，采用D3Q27网格和累积碰撞算子，能直接求解流体质量、动量守恒方程和标量浓度场的对流-扩散方程。此外，研究还引入了被动标量技术，通过添加Φ_ijk^P1和Φ_ijk^P2两个分布函数来分别追踪两次释放的稠密物质的传播与混合过程，从而清晰揭示脉冲相互作用机制。

3.1. 物理实验

f¹) in physical experiments(Exp) for h₀/L₃=0.2, Cases 13-18.(b) Plots of front location of first pulse (x_f¹) in physical experiments for h₀/L₃=0.5 Cases 25-27.(c) Plots of front location in physical experiments of Cases 13-18 relative to Case 13 (Δx?_f¹).(d) Plots of front location in physical experiments of Cases 25-27 relative to Case 25 (Δx?_f¹). The solid curves correspond to the front location of the current produced by the release of the first lock-gate, while the dashed lines track the front of the second pulse.'>

物理实验结果显示，脉冲重力流的前缘传播显著依赖于释放延迟时间。当无量纲延迟时间_re较短时（例如5.13），脉冲流在合并后的前缘位置会超越基准的瞬时释放流（Δx?_f¹> 0）。相反，长延迟时间（如42.61）则导致脉冲流始终滞后（Δx?_f¹< 0）。这一现象在两种不同的释放深度比（h₀/L₃= 0.2 和 0.5）下均得到验证，表明其普适性。实验还观测到明确的合并时间点_M，此时第二脉冲的前缘与第一脉冲合并，并在相对位移曲线上表现为拐点。

3.2. 深度平均模型

3=2, the second gate release time is t?_re=5.13 and the Fr=F_ruz(h_f/L₃) condition is imposed at the head of the flow. Panel(a) corresponds to the initial conditions(t=0). Subsequent panels increase in uniform time intervals and from(b) to(f) correspond to t?=5,10,15,20,25. Small oscillations can be observed behind the shock as it propagates forwards to the head of the current but these dissipate once the shock reflects from the head.'>

深度平均的浅水方程模型成功模拟了脉冲释放后激波的形成、向前传播至流头以及反射的过程。模型预测，在所有延迟时间条件下，脉冲流在合并后其前缘传播速度均会超过瞬时释放流，且加速程度随_re增大而增强。这一趋势与物理实验和深度解析模拟的结果存在定性差异，特别是在长延迟时间情况下。模型在流动的惯性阶段与实验数据吻合较好，但由于忽略了粘性效应，无法模拟流动后期向粘性阶段的转变（x_f∝ t^1/5），导致在长时间尺度上出现显著偏差。

3.3. 深度解析模型

re=0.2, (b) Case 26, t?_re=5.1, (c) Case 27, t?_re=10.1. (d) Plots of head location of the leading currents relative to their respective baseline single stage release case (Δx?_f¹) in experiments, depth-averaging and depth-resolving simulations of Cases 25-27.'>

三维格子玻尔兹曼模拟在预测前缘位置方面与物理实验表现出高度一致性，平均绝对百分比误差可低至1.9%。模型成功复现了实验观察到的核心现象：短延迟脉冲流加速（Δx?_f¹> 0），而长延迟脉冲流减速（Δx?_f¹< 0）。通过被动标量可视化可以清晰看到，第二脉冲释放的稠密流体以侵入层的形式在先行重力流的主体内部传播，其前缘鼻状体在到达流头之前，始终在浮力中性高度上运行，与先行流体的混合有限。

3.4. 侵入体阻力分析

f and the drag coefficient C_Dof the dense intrusion in the LBM simulations of the pulsed gravity currents. We vary the current-ambient interface density threshold logarithmically across the range ρ?_P2^*∈[0.001,0.1]. For each ρ?_P2^*value we calculate C_fand C_Dfor t?_re∈{1.50,2.50,5.00,10.00,15.00}. Here C_f/C_f^t?_re=0and C_D/C_D^t?_re=0are the coefficients relative to their respective values at t?_re=0.'>

对侵入体在合并前所受阻力的定量分析揭示了脉冲流加速或减速的内在机理。研究表明，与瞬时释放产生的侵入体相比，所有脉冲释放的侵入体其表面摩擦阻力系数C_f均有所降低，这得益于第二脉冲在先行流体沉积层上的运动。然而，决定性的因素在于总阻力系数C_D（包含形状阻力）。短延迟脉冲（t?_re= 1.50, 2.50, 5.00）的侵入体总阻力系数小于基准值（C_D/C_D^t?_re=0< 1），意味着能量耗散更少，更多能量在合并时输送给流头，导致加速。而长延迟脉冲（t?_re= 15.00）的侵入体总阻力系数反而大于基准值（C_D/C_D^t?_re=0≈ 1.13），更高的能量耗散导致合并后流动减速。深度平均模型因无法解析侵入体的三维形态及其导致的形状阻力变化，故而无法预测这一关键机制。

本研究通过多方法验证，确立了脉冲释放延迟时间是控制重力流传播速度的关键参数，并揭示了其背后的侵入体减阻物理机制。短延迟脉冲流因其侵入体在到达流头前经历更小的总阻力，能够更有效地将能量输送给流头，从而实现加速。这一发现修正了“脉冲释放必然导致复杂化且通常不利”的传统认知，指出在特定条件下脉冲释放甚至能增强重力流的传播能力。研究结果对火山碎屑流、雪崩、浊流等自然重力流的灾害评估与预测具有直接意义，表明在风险评估模型中考虑释放的时间序列至关重要。此外，研究凸显了深度解析模拟在捕捉复杂三维流动结构方面的优势，以及传统深度平均模型在模拟此类具有显著垂向结构流动时的局限性。未来研究可进一步探讨浮力雷诺数、底床坡度等因素对脉冲流传播的影响，并将当前理想化模型拓展至更接近真实环境的非守恒（发生沉积）流动情形。