Προσομοίωση μεγάλων δινών της αλληλεπίδρασης παλλόμενης ροής, στερεομεταφοράς και μορφοδυναμικής υπεράνω αμμώδους πυθμένα με πτυχώσεις

• Κύριος συγγραφέας: Λευθεριώτης, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Δήμας, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Μεταφορά ιζήματος; Μορφοδυναμική; Προσομοίωση μεγάλων δινών; Μέθοδος εμβαπτισμένου ορίου; Πτυχώσεις στροβίλου; Παλλόμενη ροή; Sediment transport; Morphodynamics; Large-eddy simulation; Immersed boundary method; Vortex ripples; Oscillatory flow; 551.303

Στην παρούσα διατριβή, διερευνάται αριθμητικά η μεταφοράς ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση σε συνθήκες παλλόμενης ροής υπεράνω πυθμένα με πτυχώσεις στροβίλου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη δημιουργία ενός μορφοδυναμικού μοντέλου για την προσομοίωση της μορφολογικής εξέλιξης του αμμώδους πυθμένα. Οι προσομοιώσεις βασίζονται στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes ασυμπίεστης ροής. Για τη μεταφορά του ιζήματος σε αιώρηση, επιλύεται η εξίσωση μεταγωγής-διάχυσης της συγκέντρωσης του ιζήματος, ενώ για τη μεταφορά ιζήματος κλίνης γίνεται χρήση ημι-εμπειρικής εξίσωσης. Η μορφολογική εξέλιξη του πυθμένα λαμβάνεται από την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης της διατήρησης της μάζας του ιζήματος. Για την χρονική διακριτοποίηση γίνεται χρήση ενός σχήματος κλασματικού χρονοβήματος, ενώ για τη χωρική διακριτοποίηση χρησιμοποιούνται πεπερασμένες διαφορές σε έκκεντρο Καρτεσιανό πλέγμα. Η προσομοίωση της τύρβης γίνεται με τη μεθόδου προσομοίωσης μεγάλων δινών. Η εφαρμογή των οριακών συνθηκών του ρευστού και του ιζήματος στην επιφάνεια του πυθμένα γίνεται με τη μέθοδο Εμβαπτισμένου Ορίου. Η επαλήθευση της ακρίβειας του αριθμητικού μοντέλου επετεύχθη μετά από σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με και με αριθμητικά και πειραματικά αποτελέσματα παλλόμενης τυρβώδους ροής και μεταφοράς ιζήματος. Μέσω των συγκρίσεων αυτών, προκύπτει ότι το αριθμητικό μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά τις διεργασίες μεταφοράς ιζήματος και τη μορφολογική εξέλιξη ενός αμμώδους πυθμένα σε συνθήκες παλλόμενης τυρβώδους ροής. Εννέα περιπτώσεις παλλόμενης ροής υπεράνω σταθερού πυθμένα με πτυχώσεις προσομοιώθηκαν αριθμητικά για διαφορετικές τιμές της παραμέτρου κινητικότητας ψ και του μεγέθους του κόκκου της άμμου, Dg. Αναφορικά με τη μεταφορά ιζήματος κλίνης, το καθαρό φορτίο είχε πάντα κατεύθυνση προς τα κατάντη, δηλαδή προς την κατεύθυνση του κύματος, και το μέγεθός του αυξάνεται γραμμικά με το Dg, ενώ η επίδραση του ψ στο καθαρό φορτίο κλίνης είναι πιο ισχυρή για ψ < 50 παρά για ψ > 50. Σε ότι αφορά τη μεταφορά ιζήματος σε αιώρηση, το καθαρό φορτίο είχε πάντα κατεύθυνση προς τα ανάντη, δηλαδή αντίθετα της κατεύθυνσης του κύματος, και το μέγεθός του αυξάνεται με την αύξηση του ψ και την ελάττωση του Dg. Η σχετική συμβολή του φορτίου κλίνης σε σύγκριση με το φορτίο σε αιώρηση στο ολικό φορτίο ιζήματος βρέθηκε ότι εξαρτάται και από το ψ αλλά και από το Dg, και η μετάβαση από την κυριαρχία του ιζήματος κλίνης στην κυριαρχία του ιζήματος σε αιώρηση ποσοτικοποιήθηκε με μία μόνο παράμετρο βάσει της ταχύτητας καθίζησης των κόκκων της άμμου. Σε ότι αφορά τη μορφολογική εξέλιξη των πτυχώσεων, εξετάστηκε η ανάπτυξη πτυχώσεων από σχεδόν επίπεδους ή ημιτονοειδείς πυθμένες, μέχρι ο πυθμένας να φτάσει σε ένα προφίλ ισορροπίας, μετά από προσαρμογή σε συνθήκες παλλόμενης ροής με βάση την τιμή της παραμέτρου κινητικότητας ψ. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το αριθμητικό μοντέλο είναι ικανό να απεικονίσει φαινόμενα δημιουργίας, ανάπτυξης, συγχώνευσης, αφανισμού και μετακίνησης των πτυχώσεων, καταλήγοντας σε πτυχώσεις με μήκη σε συμφωνία με προβλεπόμενα από εμπειρικές σχέσεις. Κάτω από τις ίδιες υδροδυναμικές συνθήκες, ο πυθμένας τείνει να φτάσει στην ίδια κατάσταση ισορροπίας, ανεξάρτητα από την αρχική του μορφή. Η μόνη διαφορά είναι ότι ο πυθμένας φθάνει σε κατάσταση ισορροπίας γρηγορότερα όταν οι προσομοιώσεις ξεκινούν από τυχαία μορφή πυθμένα, παρά από επίπεδο πυθμένα. Επίσης παρατηρήθηκε αναπροσανατολισμός των πτυχώσεων όταν η ροή είναι λοξή ως προς την κορυφογραμμή των πτυχώσεων. Οι αρχικές πτυχώσεις μετασχηματίζονται και τελικά φτάνουν σε προφίλ ισορροπίας του οποίου η κορυφογραμμή είναι κάθετη στη διεύθυνση της παλλόμενης ροής. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι το η γεωμετρία ισορροπίας των πτυχώσεων προσαρμόζεται σε διαφορετικές συνθήκες ροής και ιζήματος. Έτσι, το μήκος και το ύψος των πτυχώσεων μειώνονται όσο αυξάνεται η τιμή της παραμέτρου κινητικότητας. Αντιθέτως, τα μεγέθη αυτά αυξάνονται όσο η παράμετρος κινητικότητας μειώνεται.