비선형 점성유체의 다상유동 모형을 이용한 용암류 전산해석

Numerical Simulation of Lava Flow Using Multiphase and Non-Newtonian Fluid Model

용암은 용융된 암석이 분출되어 지표면을 흐르는 현상으로써 높은 온도와 점도 등에 의해 주변 지형과 인류에게 막대한 피해를 유발할 가능성이 있는 자연재해다. 이때 용암의 물리적 성질은 온도에 따라서 점성이 변하는 비선형적 거동 특성을 보인다. 이러한 극한 온도 상태에서의 유동흐름은 실험으로 추정하는데 한계가 있으므로 수치적 접근 방법에 의해 다수 연구가 수행되었다. 이에 본 연구에서는 소스가 공개된 전산유체해석 기법인 OpenFOAM을 이용하여 용융된 암석이 시간에 따라서 분출되는 비정상 흐름현상에 대해서 수치해석을 수행하였다. 여기서 사용된 수치해석 기법은 이상유동으로 유체의 자유표면을 추적하는 VOF기법을 적용하였으며, 용암의 점성은 비선형 점성 모델인 Herschel-Bulkley 유체를 적용하였다. 이와 같은 수치해석에 의한 용암의 거동을 정량적으로 평가하기 위해서 2001년 분화한 이탈리아의 에트나 화산의 용암류의 관측치를 대상으로 용암의 이동거리, 두께, 확산범위 등을 비교하였다.

Due to high temperature and viscosity, lava flow can cause large-scale damage on surrounding terrain and humanity. It is formed by molten rocks when magma in volcano is erupted out of its chamber beneath earth surface. The physical property of lava is the nonlinear behavior of viscosity of molten rocks with the influence of temperature-varying properties. Because of this, experimental estimation in the laboratory is nearly impossible. Thus many efforts have been carried out to numerical approach but mostly numerical method is little availability. This study presents a numerical approach to simulate the unsteady flow of molten rocks effusing from a vent using open source code of computational fluid dynamics utility called OpenFOAM with two phase modeling for lava and surrounding atmosphere. The viscosity of lava flow is simulated the Bingham plastic or Herschel-Bulkley model. In order to validate the numerical method, we carried out the quantitative evaluations including the extent of damage, travel distance and thickness of the lava flow at Mt. Etna, Italy.