Αριθμητική διερεύνηση παράκτιων διεργασιών υπεράνω τρισδιάστατου πυθμένα και ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό
Authors: Χαλμούκης Ιάσων 
Published: April 2021

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. 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.Οκτώ περιπτώσεις πυθμένα με πτυχώσεις προσομοιώθηκαν αριθμητικά. 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. 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. 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. Σε όλες τις περιπτώσεις, η αύξηση της διατμητικής τάσης κατά απόλυτη τιμή προέκυψε περίπου διπλάσια, τονίζοντας έτσι πως το υλικό εμπλουτισμού πρέπει να επιλεχθεί πιο χονδρόκοκκο (τουλάχιστον με διπλάσια διάμετρο) από το υφιστάμενο ίζημα, ώστε το προφίλ του πυθμένα να έχει την ίδια μορφοδυναμική συμπεριφορά με το υφιστάμενο. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της ταχύτητας του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος στις περιπτώσεις με ΤΑΥΑ. 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.