Υδροδυναμικές συνθήκες σε ύφαλο διαπερατό κυματοθραύστη λόγω θαλασσίων κυματισμών
Authors: Μεταλληνός Αναστάσιος 
Published: September 2021

Η προστασία της παράκτιας ζώνης αποτελούσε ανέκαθεν ένα προκλητικό πεδίο έρευνας για τους μηχανικούς λόγω της ευρείας πολυπλοκότητας των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτή. Κατά το παρελθόν, ογκώδεις κατασκευές, όπως οι συμβατικοί έξαλοι κυματοθραύστες, που ξεπερνούσαν την μέση στάθμη θάλασσας, χρησιμοποιήθηκαν για την προστασία των ακτογραμμών από διάβρωση. Στη σύγχρονη εποχή όμως, δοκιμάζεται η χρήση νέων μορφών κατασκευών, όπως οι ύφαλοι ή μονίμως βυθισμένοι κυματοθραύστες (Υ.Κ.), οι οποίες προσδίδουν ήπια μορφή στα παράκτια έργα και των οποίων η σημασία τους αυξάνεται λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τους. Δεδομένου, ότι η έρευνα για τη θαλάσσια ζωή παρέχει πληροφορίες σχετικά με παράγοντες όπως οι απαιτούμενες ταχύτητες και πιέσεις για διάφορα είδη χλωρίδας και πανίδας, μια βασική παράμετρος για να αξιολογηθεί κατά πόσο μπορούν οι συγκεκριμένες κατασκευές να αποτελέσουν τοπικό οικότοπο είναι οι κινηματικές συνθήκες που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των κατασκευών.Στο πλαίσιο αυτό, προέκυψε κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής ένα μοντέλο τύπουBoussinesq (mCM14) προκειμένου να καταστεί δυνατός ο προσδιορισμός τόσο της κυματικής διάδοσης επάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές όσο και των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός τους. Ακολουθώντας την προσέγγιση των Cruz et al. (1997) και Avgeris et al.(2004), εισήχθησαν πρόσθετοι όροι στις βασικές εξισώσεις του μοντέλου των Chondros and Memos(2014) καθώς και μια επιπλέον εξίσωση ορμής Darcy-Forchheimer προκειμένου να περιγραφεί η διάδοση των κυματισμών επάνω από διαπερατούς Υ.Κ. μέσω της αλληλεπίδρασης των κυμάτων με το πορώδες μέσο. Επιπρόσθετα, βασιζόμενοι αρχικά σε ένα κατακόρυφο προφίλ ταχυτήτων που έχει εφαρμογή έξω από το σώμα της κατασκευής (Dingemans 1997), καταστρώθηκε ένα προφίλ ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός διαπερατού Y.K. Έτσι, προέκυψε ένα μοντέλο πρόβλεψης των ταχυτήτων και των πιέσεων που δύναται να αναπτυχθούν στο εσωτερικό ενός πορώδους μέσου όπου σε συνδυασμό με τις βασικές εξισώσεις Boussinesq παρέχει μία ολοκληρωμένη προσομοίωση τόσο των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός της κατασκευής όσο και της διάδοσης των κυματισμών επάνω από αυτήν.Προκειμένου να επαληθευτεί το αριθμητικό μοντέλο mCM14 και λόγω του σχετικά περιορισμένου αριθμού κατάλληλων πειραμάτων στη διεθνή βιβλιογραφία πραγματοποιήθηκαν πειράματα στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, του Ε.Μ.Π. σε διώρυγα δοκιμών που περιελάμβαναν μονοδιάστατη διάδοση μονοχρωματικών κυματισμών και αφορούσαν μετρήσεις μέγιστων ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός Υ.Κ. με κλίσεις πρανών 1:2 καθώς και μετρήσεις ανύψωσης/ταπείνωσης ελεύθερης επιφάνειας για θραυόμενους ή μη μονοχρωματικούς κυματισμούς.Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν τρισδιάστατα (3D) πειράματα ταχυτήτων και μεταβολής στάθμης ελεύθερης επιφάνειας επάνω από πορώδη Υ.Κ. που κατασκευάστηκε σε δεξαμενή κυμάτων στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής, του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και αφορούσαν 2DH διάδοση μονοχρωματικών και σύνθετων (Jonswap) κυματισμών ενώ η εν λόγω εργαστηριακή διάταξη επιβεβαιώθηκε από το αριθμητικό μοντέλο και σε αναγωγή σε φυσική κλίμακα μέσω ομοιότητας κατά Froude.Το μοντέλο mCM14 έδειξε γενικά ικανοποιητική απόκριση σε όλα τα πειραματικά δεδομένα, όπου σε συνδυασμό με την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων σε φυσική κλίμακα έδειξε ότι είναι κατάλληλο για τεχνικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν διαπερατές κατασκευές, απότομες κλίσεις πρανών και θραυόμενους ή μη κυματισμούς. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα τόσο σε μηχανικούς και παράκτιους βιολόγους όσο και γενικότερα στην επιστήμη της ακτομηχανικής. Ο συνδυασμός τόσο της επαρκούς πρόβλεψης της διάδοσης των κυματισμών πάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές -άρα και η σωστή πρόβλεψη για τον σχεδιασμό της προστασίας της ακτής από διάβρωση- όσο και ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός των ύφαλων αυτών κυματοθραυστών –κατ΄ επέκταση η πρόβλεψη για την ελάχιστη δυνατή υποβάθμιση του θαλάσσιου περιβάλλοντος- αποκτούν ένα υψηλό επίπεδο καινοτομίας.