Πειραματική διερεύνηση της τυρβώδους ροής λόγω αλληλεπίδρασης θαλασσίων κυμάτων και ίσαλων κυματοθραυστών με πρανή φυσικών ογκολίθων

• Κύριος συγγραφέας: Γαλάνη, Κωνσταντίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Δήμας, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Ίσαλοι κυματοθραύστες; Βελοειδές ρεύμα; Μεθοδολογία PIV; Μεθοδολογία ADV; Μετάδοση κύματος; Κυματογενή ρεύματα; Zero-freeboard breakwaters; Rip current; PIV; ADV; Wave transmission; Wave-generated currents; 627.24

Η παράκτια ζώνη θεωρείται ως ένα από τα πιο δυναμικά φυσικά περιβάλλοντα, καθώς σε αυτήν λαμβάνουν χώρα σημαντικές φυσικές διεργασίες. Η συνδυασμένη δράση των φυσικών φορτίσεων και των έντονων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, πολλές φορές οδηγεί στην δημιουργία προβλημάτων διάβρωσης που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται πειραματικά αφενός η διάδοση κυμάτων υπεράνω ακτής σταθερής, απότομης κλίσης πυθμένα, αφετέρου η μεταβολή της παράκτιας κυκλοφορίας στην περίπτωση κατασκευής ίσαλου κυματοθραύστη στην εν λόγω ακτή, καθώς επίσης και η ροή που αναπτύσσεται τελικά στην εγγύς περιοχή του έργου και υπεράνω του στρώματος θωράκισης αυτού. Για την πραγματοποίηση των πειραματικών μετρήσεων κατασκευάστηκαν τρία εργαστηριακά ομοιώματα, μια ακτή απότομης κλίσης 1/15, ένας ίσαλος κυματοθραύστης με πρανή φυσικών ογκολίθων υπό κλίμακα 1/30 και ένα πρανές κλίσης 1/3 με στρώμα θωράκισης από φυσικούς ογκόλιθους. Οι εργαστηριακές μετρήσεις διεξήχθησαν με χρήση δύο διαφορετικών μεθοδολογιών για την μέτρηση του πεδίου των ταχυτήτων, της μεθοδολογίας ADV και της μεθοδολογίας PIV, ενώ πραγματοποιήθηκαν και καταγραφές της στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας. Όσον αφορά στην ακτή απότομης κλίσης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της στιγμιαίας ταχύτητας της ροής που αναπτύσσεται λόγω της διάδοσης κυμάτων υπεράνω αυτής, σε διάφορες θέσεις κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων και για πέντε διαφορετικά σενάρια κυματισμών. Τα αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία κυματογενούς ρεύματος εγκαρσίως στην ακτογραμμή, με κατεύθυνση προς τα βαθιά, με ταχύτητες της τάξης των 0.1 - 0.25 m/s και διαμήκη συνιστώσα που αυξάνει αυξανομένου του ύψους του διαδιδόμενου κυματισμού. Η κατανομή της διαμήκους συνιστώσας του κυματογενούς ρεύματος εμφανίζει γραμμική μεταβολή ως προς το βάθος ανάντη της ζώνης θραύσης, ενώ όσο προσεγγίζουμε το βάθος θραύσης db, καθώς και εντός της ζώνης απόσβεσης, το κυματογενές ρεύμα εμφανίζει παραβολική κατανομή ως προς το βάθος, λόγω της σαφούς επιρροής του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος που αναπτύσσεται εντός της ζώνης απόσβεσης. Όσον αφορά στο εργαστηριακό ομοίωμα ίσαλου κυματοθραύστη, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία δύο επιφανειακών στροβίλων αντίθετης φοράς στην υπήνεμη πλευρά του έργου, καθώς επίσης και την δημιουργία ισχυρών κυματογενών ρευμάτων στην εγγύς περιοχή του κυματοθραύστη. Στην υπήνεμη πλευρά του κυματοθραύστη εντοπίζεται ένα σχετικά ισχυρό κυματογενές ρεύμα κατά μήκος του εγκάρσιου άξονα συμμετρίας του έργου, με κατεύθυνση από την ακτογραμμή προς τον υπήνεμο πόδα, το οποίο προκαλείται ώστε να εξισορροπηθεί η ροή μάζας προς την ακτογραμμή λόγω υπερπήδησης όγκου νερού υπεράνω του έργου, εξαιτίας της χαμηλής στάθμης της στέψης. Επιπλέον, στο άνοιγμα του έργου εντοπίζεται ένα ακόμα ισχυρότατο κυματογενές ρεύμα, εγκάρσιο στην ακτογραμμή και με κατεύθυνση προς τα βαθιά, το επονομαζόμενο βελοειδές ρεύμα, με διαμήκεις ταχύτητες που κυμαίνονται από 0.10 - 0.46 m/s. Η ένταση του βελοειδούς ρεύματος αυξάνει στις περιπτώσεις που οι διαδιδόμενοι κυματισμοί εκδηλώνουν έντονη θραύση, ενώ η κατακόρυφη δομή του ρεύματος είναι ομοιόμορφη ως προς το βάθος εντός της ζώνης απόσβεσης , μεταβάλλεται ωστόσο γραμμικά με το βάθος στην εξωτερική παράκτια ζώνη. Ως προς την εγκάρσια διεύθυνση, το βελοειδές ρεύμα εμφανίζει μεγαλύτερες ταχύτητες στο μέσον του ανοίγματος μεταξύ παράλληλων κυματοθραυστών, ενώ πλησίον του ακρομωλίου του ίσαλου κυματοθραύστη οι τιμές της διαμήκους συνιστώσας της ταχύτητας του βελοειδούς ρεύματος μειώνονται, κυρίως πλησίον του πυθμένα. Η ένταση της τύρβης στην υπήνεμη πλευρά και στο άνοιγμα του κυματοθραύστη είναι της ίδιας τάξης μεγέθους, με τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 0.05 - 0.10. Τέλος, όσον αφορά στο στρώμα θωράκισης πρανούς φυσικών ογκολίθων, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία κυματογενούς ρεύματος κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων, με κατεύθυνση προς τα βαθιά. Η μεταβολή του ρεύματος είναι σχετικά γραμμική ως προς το βάθος και προσομοιάζει την κατακόρυφη δομή του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος ανάντη της ζώνης απόσβεσης, δηλαδή στην εξωτερική παράκτια ζώνη. Η ένταση της τύρβης υπεράνω του πρανούς εμφάνιζε τιμές της τάξης του 0.15 - 0.40, ενώ η παραγωγή της τύρβης ενισχυόταν σημαντικά από την εξαιρετικά τραχεία επιφάνεια του στρώματος θωράκισης και από συμβάντα εκτίναξης - αναρρόφησης διαμέσου του πορώδους της κατασκευής. Για την διάδοση μονοχρωματικών κυματισμών υπεράνω του πρανούς ογκολίθων, προσδιορίστηκε η σχετική συμβολή της διαμήκους, της εγκάρσιας και της κατακόρυφης τυρβώδους διακύμανσης της ταχύτητας στην κατανομή της μέσης χρονικά τυρβώδους κινητικής ενέργειας, η οποία προέκυψε ίση με 0.44, 0.28 και 0.28, για τις τρεις συνιστώσες της διακύμανσης της ταχύτητας, αντίστοιχα. Από την μελέτη των μέσων ανά φάση του κύματος πεδίων της ταχύτητας διαπιστώθηκε ότι το πρανές συμπεριφέρθηκε περισσότερο ως μια υδραυλικώς τραχεία επιφάνεια, παρά ως πορώδες μέσο, εξαιτίας του μικρού αριθμού στρώσεων (2) φυσικών ογκολίθων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του στρώματος θωράκισης.