Propagation of water waves in shallow water with emphasis on fluid-seabed interactions
Authors: Αφεντούλης Βασίλειος 
Published: February 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην μελέτη της διάδοσης των κυμάτων σε ρηχά και ενδιάμεσα βάθη με στόχο την ακριβή πρόβλεψη των αλληλεπιδράσεων ρευστού – θαλάσσιου αμμώδους πυθμένα, υπό ασταθείς υδροδυναμικές ροές, καθώς και στα πλεονεκτήματα και περιορισμούς υπολογιστικών προσομοιώσεων που βασίζονται στην χρήση μοντέλων μέσου βάθους. Οι βασικοί στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορούν στην εφαρμογή των υφιστάμενων αριθμητικών εργαλείων ακτομηχανικής, προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση, η εφαρμογή και οι ιδιότητές τους, και στην ανάπτυξη νέων αριθμητικών μοντέλων για την προσομοίωση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας και μηχανισμών μεταφοράς ιζημάτων. Παράλληλα η παρούσα διατριβή στοχεύει στην επαλήθευση της αποτελεσματικότητας των νέων προτεινόμενων μοντέλων, μέσω της σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα και μετρήσεις πεδίου, για την επίτευξη προβλέψεων βαθυμετρικής εξέλιξης με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Πυρήνα του έργου αποτελεί η αριθμητική διερεύνηση των υδροδυναμικών επιδράσεων στους μηχανισμούς διάβρωσης και απόθεσης μη συνεκτικών ιζημάτων, καθώς και η επίδραση αυτών στην εξέλιξη της ακτογραμμής, λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία θαλάσσιων κατασκευών, όπως ένα παράλληλο σύστημα έξαλων και ύφαλων κυματοθραυστών, ή προβόλων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις υδρο-μορφοδυναμικές διεργασίες στην εσωτερική ζώνη θραύσης και ζώνη διαβροχής (surf and swash zone), όπου δρουν πολύπλοκοι μηχανισμοί καθορισμού κίνησης ιζημάτων, ενώ οι αριθμητικές προβλέψεις των αλληλεπιδράσεων κύματος-ρεύματος και οι μορφολογικές αποκρίσεις, με ή χωρίς την παρουσία παράκτιων δομών, εξακολουθούν να συνδέονται μέχρι και σήμερα με σημαντική αβεβαιότητα που σχετίζεται με την εξαιρετικά μη γραμμική φύση αυτών των φυσικών διεργασιών. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν υφιστάμενα προηγμένα αριθμητικά μοντέλα για την πρόβλεψη της μορφολογίας του θαλάσσιου πυθμένα σε περιοχές μελέτης, όπου παρατηρούνται υδρο-μορφοδυναμικά φαινόμενα υψηλής έντασης, με στόχο τη λεπτομερή μελέτη των πλεονεκτημάτων αλλά και περιορισμών των αριθμητικών αυτών εργαλείων. Παράλληλα, τα νέα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν από τον συγγραφέα της διατριβής, στοχεύουν στην προσομοίωση υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών μοτίβων και στην πρόβλεψη των αλληλεπιδράσεων έντονων μη γραμμικών φαινομένων διαφορετικής χρονικής κλίμακας, κατά μήκος της παράκτιας ζώνη. Για την διερεύνηση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών κοντά στην ακτή, ακολουθήθηκαν δύο διαφορετικές αριθμητικές προσεγγίσεις. Η πρώτη προσέγγιση βασίστηκε στην χρησιμοποίηση μη γραμμικών εξισώσεων ρηχών νερών (non-linear shallow water equations - NSWE). Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της αριθμητικής προσέγγισης είναι ότι τα γεγονότα θραύσης μπορούν να μοντελοποιηθούν μέσω του αναπτύγματος της ελεύθερης επιφάνειας και της ασυνέχειας ρεύματος. Στο πλαίσιο αυτής της προσέγγισης, προγραμματίστηκε και εφαρμόστηκε ένας αριθμητικός κυματιστήρας (wavemaker), για την διάδοση σύνθετων πολυκατευθυντικών κυματισμών. Ο τρόπος κίνησης του ιζήματος αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας αριθμητικές τεχνικές που λαμβάνουν υπόψη την μη γραμμική επίδραση των κυμάτων στην υδροδυναμική κυκλοφορία και κατ’ επέκταση στον μηχανισμό στερεομεταφοράς. Για τις ανάγκες της προσομοίωσης αυτών των μηχανισμών μορφολογίας αναπτύχθηκε ένα νέο αριθμητικό μοντέλο στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Η δεύτερη αριθμητική προσέγγιση που ακολουθήθηκε από τον συγγραφέα της παρούσας διατριβής έγκειται στην χρησιμοποίηση ενός πλήρους μη γραμμικού κυματικού και υδροδυναμικού μοντέλου Boussinesq, για τις περιοχές μελέτης που εκτείνονται από βαθιά έως ρηχά ύδατα, ώστε να καταστεί δυνατή η ακριβής προσομοίωση φαινομένων διασποράς ακανόνιστων κυματισμών σε σύνθετες βαθυμετρίες. Πιο συγκεκριμένα, το μη γραμμικό μοντέλο τύπου Boussinesq, FUNWAVE- TVD, εφαρμόστηκε με στόχο την προσομοίωση της διάδοσης κύματος και της υδροδυναμικής κυκλοφορίας σε μεταβατικές παράκτιες ζώνες και συσχετίστηκε με ένα νέο ημι-τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς ιζήματος και μορφολογίας το οποίο αναπτύχθηκε για την επίλυση της μη γραμμικής επίδρασης των κυμάτων στην μεταφορά ιζήματος. Επιπλέον, εφαρμόστηκε μια τρισδιάστατη προσέγγιση για την εκτίμηση της μεταφοράς ιζήματος με αιωρούμενο φορτίο προκειμένου να διερευνηθεί κατακόρυφη δομή της συγκέντρωσης ιζήματος., Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην διερεύνηση της δυναμικής των ιζημάτων στη ζώνη διαβροχής - swash, καθώς ο μηχανισμός αυτός παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για τα έργα μηχανικού στην παράκτια ζώνη. Η δυναμική της ιζηματογενούς μεταφοράς στη ζώνη διαβροχής καθορίζει την θέση της ακτογραμμής, και επομένως η ακριβής μελέτη των φυσικών διεργασιών σε αυτή την περιοχή συμβάλλει στην αξιολόγηση της απόδοσης των παράκτιων έργων προστασίας όσον αφορά στην ικανότητά τους να προστατέψουν την ακτή ή ακόμα και να επεκτείνουν το πλάτος αυτής, προς τη θαλάσσια ζώνη. Τα αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελούν σημαντικό και χρήσιμο υπόβαθρο για μηχανικούς και επιστήμονες που επιθυμούν να αποκτήσουν ακριβείς προβλέψεις εξέλιξης αμμώδη πυθμένα σε πολύπλοκες βαθυμετρίες με ή χωρίς την παρουσία ενός μεγάλου εύρους τύπων έργων παράκτιας προστασίας, σε πειραματικό και σε πραγματικό πεδίο.