火山喷发以高速和高温将气体和火山碎屑喷射到大气中。对生命和基础设施的相关威胁是火山喷发的类型和强度造成的。在邻近区域，火山弹道射弹可能造成伤害和财产破坏。火山碎屑密度流 构成额外风险，威胁着数千人的生命、农田和牲畜以及基础设施。因此，在社会和经济活动可能受到损害的领域，越来越需要详细和定制的危害和风险评估。
近年来，火山喷发的监测和预测取得了重大进展。然而，不可预见或超出预期的火山喷发仍然夺去了许多人的生命。虽然在活火山周围划定大型禁区是最安全的选择，但这通常在社会上不可行。在缺乏此类措施的情况下，更好地了解导致危险爆炸性喷发的源条件并控制火山炸弹的传播距离对于开发概率危险图至关重要。在这里，我们进行快速减压实验，并凭经验将近排气口区域的气体粒子射流的喷射特性与复杂的排气口几何形状相关联。
针对每种排气口几何形状，测试了两种压力和六个不同的样品。选择压力是为了与早期在 5、8、15 和 25 MPa 下进行的具有可变排气几何形状的气体粒子和纯气体射流的研究进行直接比较。我们使用了来自东埃菲尔火山地区的两种天然样本：多孔熔岩流的矿渣碎片 和来自拉彻湖喷发的浮石颗粒 。两种类型均使用三种粒径： 细颗粒，0.125–0.25 mm；中等，0.5-1毫米； 粗粒，1-2 毫米。熔渣 和浮石 的平均密度分别为 2.5 g/cm 3和 1.4 g/cm 3。所有实验的颗粒负载在 38 g 和 175 g 之间。所有实验均在环境温度 下以氩气作为加压气体进行。
我们导出缩放的单帧，以便使用插件MTrackJ进行手动和光学分析。我们测量了气体粒子射流的粒子扩散角和粒子喷射速度。此处报告的扩展角度始终是单次实验期间达到的最大扩展角度。颗粒散布角是从高压釜内壁的垂直延续部向外偏离的角度。它是沿着从排气口出口开始到视场上限的气体粒子射流边缘的切线来测量的。下面报告的所有角度均代表三次重复测量的平均值。为了定性比较气体粒子射流的时间演化和粒子扩散角度的不对称性，对每个实验条件追踪射流边界并随后堆叠。粒子速度在第一次粒子喷射后 1 到 2 ms 之间测量。每个粒子都在 5 个静止帧上进行跟踪，并且给出了 > 25 个粒子的平均速度。
该实验装置中实验的可重复性已在多项研究中得到证明。自然样品的异质性对样品的破碎行为有很大影响。我们使用了松散的颗粒，这些颗粒被加速，并且先前的破碎可以忽略不计。我们重复选定的实验来测试再现性和受实验程序中的不规则性影响的实验。
Cigala 等人证明了气体和气体粒子射流扩散角度的可重复性。通过让三个人分析相同的实验并比较结果来量化光学和手动测量传播角度的主观误差。由于本研究中的测量方法是相同的并且使用了相同的实验设置，因此我们也假设操作员的主观性可以忽略不计。我们通过重复各个实验条件 3 次来测试粒子喷射速度的再现性，并分析每个实验运行 3 次。我们发现每次实验中粒子喷射速度的方差高于重复实验之间的方差。同一实验在给定时间的三次测量的标准偏差高达 17 m/s。相反，比较具有相同起始条件的三个实验的平均速度，标准偏差为 5 m/s。
通过计算雷诺数 、马赫数 和斯托克斯数 来描述流体流动动力学以及气体与颗粒之间的耦合。Re和M的参考量是根据一维等熵理论通过基于起始实验条件估计气体密度、粘度和流速来计算的。我们强调，这里进行的实验是高度动态的，下面列出的值是最大值计算了这些实验在特征流动条件下的 Re，例如在通风口喉部、通风口出口处和通风口上方完全膨胀的流动条件。对于30缸对于 fun30 排气口，Re 介于 3.58 × 10 7和 2.21 × 10 8之间，对于fun30排气口，Re 介于 3.58 × 10 7和 3.40 × 10 8。S1排气口的 Re经计算为 1.90 × 10 7和 1.09 × 10 8。在火山喷发中，Re 可以在 10 5到 10 8之间或高达 10 11。
气体-粒子射流中的粒子扩散角
在相同条件的实验中，cyl30通风口表现出比fun30通风口更高的最大颗粒扩散角度。这种差异在左通风口侧尤其明显。对于所有实验运行，颗粒尺寸对射流扩散角的影响最大，其中细颗粒始终表现出最大的颗粒扩散角。在所有情况下， cyl30和fun30几何形状的实验都表现出不对称的射流扩散角，左侧通风口侧的最大扩散角大于右侧。在fun30的实验中从气体膨胀开始时的最大扩散角来看，下通风口侧的扩散角较大。然而，在整个实验的剩余持续时间内，在较高通风口侧观察到较大的扩散角。对于cyl30几何形状的实验，始终在下通风口侧测量较大的展开角度。
图 5显示了气体颗粒射流随时间的演变以及颗粒扩散角度的不对称性与颗粒尺寸和喷口几何形状的函数关系。所有实验在实验开始时都表现出最大的扩展角。随着减压的进行，展开角减小。细小和轻的颗粒表现出更大的扩散角，比粗和密的颗粒可以保持更长时间。
开始时，在第一次气体喷射后 2.5 ms， fun30几何结构发射的气体粒子射流向左通风口侧倾斜。在t = 5 ms，并且在实验后期，射流向相反侧倾斜。在使用S1几何形状的实验中，在所有实验条件和所有时间步长下，通风口左侧的颗粒扩散角度均接近垂直。
在通风口的右侧，观察到比左侧通风口侧更大的扩散角。S1几何形状具有比其他几何形状更高的排气口出口高度，这导致在t = 2.5 ms时可见的 SL 粒子延迟喷射 ，而 LSB 粒子充满整个视场。在 8 MPa 实验中延迟更加明显。在实验接近尾声时，当高压釜中的超压耗尽时，颗粒仍然被喷射，但没有方向性偏差。
颗粒喷射速度的差异是颗粒密度、排气口几何形状、压力和次要颗粒尺寸的函数。对于细颗粒，由于缺乏分辨率，无法获得颗粒喷射速度。较低的颗粒密度 导致速度比 SL 样品高出高达 > 100 m/s 。与 8 MPa 启动压力相比，15 MPa 启动压力导致颗粒喷射速度增加。
因此，在LSB粒子和15 MPa超压实验中，在粒子喷射开始时观察到最高喷射速度。通常，fun30与其他通风口相比，通风口显示出更高的颗粒喷射速度。此外，排气口的几何形状导致颗粒速度的不对称分布，即排气口一侧的颗粒速度较快。我们在S1通风孔几何结构和 LSB 粒子的实验中观察到高达约 60 m/s 的速度差。
在通风口的右侧测得较高的速度。在cyl30和fun30 几何结构的实验中，LSB 粒子在左侧显示出更高的速度。对于8 和 15 MPa 压力下的cyl30排气口， fun30排气压力仅为15 MPa。在使用 SL 颗粒的实验中，没有观察到明显的速度分布。颗粒尺寸和喷射速度之间没有明显的相关性，颗粒越细，喷射速度越高。一般来说，即使在相同的实验和相同的喷射时间内，粒子速度也有很大的变化。
粒子喷射速度
本研究中使用的复杂通风口在通风口两侧跟踪的颗粒速度产生了很大的变化。在具有对称通风口几何形状的研究中没有观察到相同的变异性。此外，颗粒密度是喷射速度的主要控制参数，而颗粒尺寸仅对速度产生较小的影响。尽管如此，测量到的中等颗粒的最高速度值。
排气口两侧的颗粒速度差异是复杂排气口几何形状的结果。在使用cyl30和fun30几何结构的实验中，我们测量到左侧的粒子速度高于另一侧。这仅对于 LSB 粒子可见，因为它们充分耦合，仍然受到无约束气流的影响。由于fun30排气口减压效率更高，在 15 MPa 的实验中，流量只能进一步影响中等尺寸的 LSB 颗粒。S1的实验在 8 MPa 和 15 MPa 的压力下，几何结构表现出 SL 颗粒的均匀速度分布，而 LSB 颗粒在排气口的右侧喷射得更快。由于S1的发散角不对称，通风口的右侧具有更高的M因此，这一侧达到了更高的气体速度。在管道内，可以假设加速度是均匀且单侧的，但一旦气体和颗粒到达发散部分，气体能够在约 40° 一侧加速得更强。气体和 LSB 粒子之间的耦合足以被粒子的高速所反射，而 SL 粒子的惯性阻止它们被通风口发散部分中的气体完全加速。
将实验与火山灾害联系起来
S1几何体的实验通过将“真实”的火山几何体带入实验室，为将无人机摄影测量和 3D 打印等新技术融入实验构想提供了概念证明。对火山爆发近喷口动力学的高分辨率、高速观测和利用相关“真实”几何形状的规模化实验室实验相结合，最终可以在可观测特征和浅层地下初始条件之间建立联系。
实验设置不允许在近喷口区域之外进行观察，但通过观察现场观察和已发表的研究，可以将复杂的喷口几何形状对气体粒子喷射的影响与爆炸性火山喷发进行比较。由于我们的实验产生起始喷流，因此压力条件的动态演化更适合类似于单个火山喷发脉冲或瞬时喷发的动态，而不是数值模型和实验中经常假设的持续喷流。使用真实粒子可以实现流体-粒子和粒子-粒子之间的相互作用，而当使用赝气体方法或仅考虑双向耦合的模型时，这是无法观察到的。
由于射流边界层的表面积增加和夹带涡流的“穿透距离增加”，不对称的气体颗粒射流扩散角度最初可以促进夹带，直到达到某些阈值条件。控制浮力上升与柱塌陷的因素的全面描述超出了此次实验的范围，但已在许多研究中进行了描述。我们认为，不对称的通风口和/或火山口几何形状可以促进异质空气夹带，火山喷出物的不对称分布，以及在柱塌陷的情况下随后出现的PDC的优先方向。
结论
本研究中进行的快速减压实验研究了喷口几何形状、颗粒尺寸和密度以及压力之间的联系及其对喷发动力学的影响。在实验室中，排气口的几何形状决定了发射的气体粒子射流的方向。cyl30通风口促进了最大的颗粒扩散角度，而fun30通风口表现出最高的速度。S1几何形状在射流扩散角方面具有最强的不对称性。cyl30和fun30通风口在左侧通风口侧比右侧通风口侧表现出更大的扩散角和更高的颗粒速度。S1在发散较强的一侧显示出更大的扩散角和更快的粒子。按照重要性排序，最大颗粒扩散角度为
与粒径呈负相关
与颗粒密度负相关
与实验压力正相关
粒子喷射速度为：
与颗粒密度负相关
与实验压力呈正相关
与粒径呈负相关
这里进行的规模化实验室实验的结果显示了通风口几何形状的重要性以及不对称性对多相流喷射的主要影响。这些发现可用于解释可观测到的火山喷发动态。喷口或火山口的不对称性可能会影响受近端和远端火山灾害影响的区域。此外，实验数据与现场观察的比较证明了使用新技术为实验室实验生成真实的通风口几何形状的可行性。无人机摄影测量与增材 3D 打印相结合，是一种在规模化实验室实验中利用真实火山口几何形状的快速且廉价的方法。
最终，我们需要越来越复杂的实验来探索可观察到的喷发动力学与潜在的、隐藏的初始条件之间的联系，但迄今为止，这些初始条件仍然无法直接观察和测量。
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