基于格子 Boltzmann 方法模拟火山云底部沉降驱动的重力不稳定性

野外观测与实验室实验表明，火山灰沉降会受到集体沉降机制的显著影响，这些机制促使火山灰提前沉积，并对相关影响具有重要意义。在这些机制中，沉降驱动的重力不稳定性源于在火山灰云与下层大气之间生长的重力不稳定颗粒边界层（PBL）。一旦 PBL 达到临界厚度便会失稳，触发形成快速向下运动的火山灰指状结构，其特征迄今仍鲜有刻画。我们通过耦合一个求解流体相 Navier-Stokes 方程的格子 Boltzmann 模型与一个求解描述颗粒输运的对流-扩散-沉降方程的加权本质无振荡（WENO）有限差分格式来模拟这一过程。由于该物理问题以对流主导，WENO 格式的使用降低了数值扩散，并确保准确追踪层间界面的时间演化。我们通过验证表明，模拟得到的不稳定性早期增长率与线性稳定性分析预测结果非常吻合，而建模的后期行为也成功再现了已发表实验室实验中的定量结果。