Созданная математическая модель станет основой для разработки установок, которые позволят с высокой точностью исследовать физико-химические и газодинамические процессы, происходящие при извержении вулканов. Это поможет в том числе предлагать новые методы прогнозирования вредных выбросов вулканических газов и бомб расплава магмы в атмосферу.
Вулканы являются геологическими образованиями, активность которых может приводить к извержениям большого количества жидкостей и газов из недр Земли. Хотя такие процессы являются естественными для планеты, в результате извержений в атмосферу попадают вредные газы и пепел. Кроме того, вулканическая активность вблизи населенных пунктов может нести опасность для местных жителей, туристов и летательных аппаратов.
Сегодня по всему миру действуют сотни вулканов, в частности, в России располагается несколько десятков, большая часть из которых находится на Камчатке и в районе Курил. Поэтому, научные коллективы из разных стран активно разрабатывают методы прогнозирования извержений и их влияние на окружающую среду.
«Экстремальные условия внутри вулкана осложняют изучение процессов, которые там происходят. Поэтому, к нам обратились вулканологи с Камчатки с просьбой разработать печь, с помощью которой можно было бы достаточно точно моделировать движение газов, образования бомб (сферы из расплава магмы), которые “вылетают” из действующих вулканов на огромной скорости. Причем, вулканологи поставили нам нетривиальную задачу – им нужна была установка, обеспечивающая высоту расплава 3 метра в холодном тигле (емкость) – таких ранее в мире не делал никто», — рассказывает руководитель Лаборатории ИПХТ (Индукционная Плавка в Холодном Тигле), доцент кафедры электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Лопух.
Решение данной задачи требовало подбора материалов и конструкции емкости таким образом, чтобы тигель не взаимодействовал с газами и магмой: это неизбежно приводило бы к изменениям химического состава расплава и погрешностям в процессе использования установки для исследований. Кроме того, установка должна была препятствовать кристаллизации расплава магмы при высокой температуре: тигель должен был выдерживать температуры около 2500 градусов.
На первом этапе создания установки исследователи ЛЭТИ получили расплав магмы вулкана Камчатки при температуре 2500 градусов. Затем, с помощью полученных экспериментальных данных и разработанных математических моделей они рассчитали параметры всех элементов инновационной установки: параметры тигля, индуктора (нагревателя) и генератора. Также расчетным путем определены распределения температур и скорости движения расплава внутри ванны. Рассматривается моделирование двухфазных потоков поведения смеси газов с расплавом.
«Пока мы создали модель индукционной печи с холодным тиглем с высотой расплава магмы около полуметра, мы описали все процессы, которые будут происходить с расплавом при высоких температурах, получили “картинку” в 2D и 3D. Следующий этап нашей работы – создание на основе данных моделирования и конструирования прототипа установки для проведения пилотных испытаний», – поясняет Дмитрий Лопух.
Ученые планируют собрать и запустить действующий прототип осенью. В 2023 году предполагается создать установку с метровым тиглем. Исследования проводятся совместно с Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. Разработка реализуется в ЛЭТИ в рамках программы «Приоритет 2030».