Αριθμητική διερεύνηση παράκτιων διεργασιών υπεράνω τρισδιάστατου πυθμένα και ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό

• Κύριος συγγραφέας: Χαλμούκης, Ιάσων
• Άλλοι συγγραφείς: Chalmoukis, Iason
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Τρισδιάστατες πτυχώσεις πυθμένα; Τεχνητή αναπλήρωση ακτής με ύφαλο αναβαθμό; Three-dimensional rippled bed; Perched beach

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής περιλαμβάνει δύο θεματικές ενότητες στο γενικότερο πλαίσιο της διερεύνησης των παράκτιων διεργασιών: α) Επίδραση των τρισδιάστατων (3Δ) πτυχώσεων (αμμοκυματίων, sand ripples) πυθμένα στο τυρβώδες οριακό στρώμα κυμάτων και β) Αποτελεσματικότητα ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό. Όλα τα αποτελέσματα προέκυψαν από προσομοιώσεις που βασίζονται στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier–Stokes ασυμπίεστης ροής. Για τη χρονική διακριτοποίηση γίνεται χρήση ενός σχήματος κλασματικού χρονοβήματος, ενώ για τη χωρική διακριτοποίηση χρησιμοποιούνται πεπερασμένες διαφορές σε έκκεντρο Καρτεσιανό πλέγμα. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται με τη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών (large-eddy simulation). Η εφαρμογή των οριακών συνθηκών του ρευστού στην 3Δ επιφάνεια του πυθμένα γίνεται μέσω μίας τροποποιημένης μεθόδου Εμβαπτισμένου Ορίου για παράκτιες και ποτάμιες ροές. Στην περίπτωση της προσομοίωσης προσπιπτόντων κυμάτων σε ακτή, οι εξισώσεις Navier–Stokes επιλύονται για διφασική ροή και η εξέλιξη της ελεύθερης επιφάνειας παρακολουθείται με τη μέθοδο level-set. Στην περιοχή της κυματογενούς αναρρίχησης, η ακτή αντιμετωπίζεται ως πορώδες μέσο, μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων των εξισώσεων Navier–Stokes. Για να επιτευχθούν προσομοιώσεις με μεγάλους αριθμούς Reynolds, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο τοιχώματος για την επιβολή της συνθήκης μη ολίσθησης στον πυθμένα. Τα κύματα δημιουργούνται από κυματογεννήτρια τύπου εμβόλου, και για την αντιμετώπιση της κυματικής ανάκλασης χρησιμοποιείται μία ζώνη απορρόφησης. Τέλος, ο αλγόριθμος είναι δομημένος βάσει του αντικειμενοστραφή προγραμματισμού και έχει παραλληλοποιηθεί βάσει των πρωτοκόλλων ΜΡΙ και OpenMP, ώστε να έχει εύκολη και κατανοητή δομή και να ελαχιστοποιείται ο υπολογιστικός χρόνος. Αρχικά, ο αριθμητικός κώδικας επαληθεύθηκε μέσω συγκρίσεων με αριθμητικά αποτελέσματα για παλλόμενη στρωτή ροή υπεράνω δισδιάστατων (2Δ) πτυχώσεων στροβίλου και με πειραματικές μετρήσεις για παλλόμενη τυρβώδη ροή υπεράνω πυθμένα με 2Δ πτυχώσεις. Έπειτα, διαπιστώθηκε πως αναπαράγει σωστά το 3Δ πεδίο ταχύτητας στην περίπτωση μονοκατευθυντικής ροής υπεράνω 3Δ θινών, το οποίο είχε μελετηθεί πειραματικά και αριθμητικά στη βιβλιογραφία. Τέλος, ο κώδικας επαληθεύθηκε με πειραματικές μετρήσεις για τη θραύση κυμάτων υπεράνω 2Δ πυθμένα σταθερής κλίσης. Οκτώ περιπτώσεις πυθμένα με πτυχώσεις προσομοιώθηκαν αριθμητικά. Οι διαστάσεις των 2Δ πτυχώσεων προέκυψαν από εξισώσεις που περιγράφουν πτυχώσεις σε ισορροπία. Για να δημιουργηθούν τα μεταβατικά στάδια του 3Δ πυθμένα, εισήχθη μία ημιτονοειδής κορυφή στην κεντρική πτύχωση, διατηρώντας σταθερό το ύψος και μεταβάλλοντας το μήκος του. Διαπιστώθηκε πως υπεράνω του 3Δ πυθμένα, οι περιοχές με απότομες κλίσεις δημιουργούν μεγαλύτερους στροβίλους από τις περιοχές με πιο ήπιες κλίσεις. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική δευτερεύουσα εγκάρσια ροή με ταχύτητες ~0.1Uo και σημαντικούς διαμήκεις στροβίλους στην περιοχή της 3Δ κορυφής. Αυτές οι δομές ροής είναι ενδεχομένως υπεύθυνες για τη σταδιακή αναμόρφωση των 3Δ πτυχώσεων προς τη 2Δ κατάσταση ισορροπίας τους. Οι περιοχές με δυνητικά υψηλότερους ρυθμούς διάβρωσης εντοπίστηκαν βάσει της διατμητικής τάσης και η ασύμμετρη κατανομή της που παρατηρήθηκε εικάζεται πως συμβάλλουν στην εξέλιξη προς τη 2Δ κατάσταση ισορροπίας. Τα ρεύματα γύρω από την 3Δ πτύχωση εμφανίζουν υψηλότερες μέσες ταχύτητες στην απότομη πλευρά της σε σχέση με την ήπια, συμβάλλοντας επίσης στην τελική 2Δ διαμόρφωση της. Τέλος, εκτιμήθηκε η αντίσταση του πυθμένα με πτυχώσεις και βρέθηκε πως η 2Δ πτύχωση ισορροπίας παρουσιάζει τη μικρότερη αντίσταση σε σύγκριση με τις υπόλοιπες 3Δ πτυχώσεις που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη. Αναφορικά με τα αποτελέσματα της τεχνητής αναπλήρωσης οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό (ΤΑΥΑ), διαπιστώθηκε πως το ύψος κύματος στη θραύση δεν επηρεάζεται για τον μεσαίο και μικρό κυματισμό, ενώ είναι ελαφρώς μειωμένο για το μεγάλο κύμα στην ΤΑΥΑ. Επιπλέον, παρόλο που η ύπαρξη μιας ΤΑΥΑ μειώνει το μήκος της ζώνης απόσβεσης όταν το κύμα θραύεται πριν από αυτήν, αποσβένει την κυματική ενέργεια γρηγορότερα και έτσι επιτυγχάνεται η ίδια αναλογία H/Hb κοντά στην ακτογραμμή με την αντίστοιχη απροστάτευτη παραλία. Ισχυρές δομές στροβιλισμού παρατηρήθηκαν κοντά στον αναβαθμό στις περιπτώσεις που το κύμα θραύεται λόγω αυτού και συνδέθηκαν με ενδεχομένως πιο έντονη μεταφορά ιζήματος, οδηγώντας έτσι στην υποσκαφή του. Η παρατήρηση αυτή ενισχύεται και από τα αποτελέσματα της διατμητικής τάσης που έδειξαν αύξηση της στην περιοχή του αναβαθμού. Επίσης, διαπιστώθηκε πως η διατμητική τάση παρουσιάζει αρνητική αύξηση για τα μικρά και μεσαία κύματα και θετική αύξηση για τα μεγάλα, προκαλώντας ενδεχομένως μεταφορά του ιζήματος προς τα βαθιά και την ακτή, αντίστοιχα. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της ταχύτητας του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος στις περιπτώσεις με ΤΑΥΑ. Αξίζει να σημειωθεί πως στην περιοχή μετά τον αναβαθμού της περίπτωσης PB_3.2 δημιουργήθηκε ρεύμα προς τη στεριά. Τέλος, η παρουσία της ΤΑΥΑ έχει τετραπλασιάσει περίπου τις ανακλώμενες συνθήκες σε σχέση με την απροστάτευτη παραλία, συμβάλλοντας σημαντικά στη μείωση της προσπίπτουσας κυματικής ενέργειας.