Προσδιορισμός των υδροδυναμικών διεργασιών της παράκτιας ζώνης με τρισδιάστατη (3D) εφαρμογή του αριθμητικού μοντέλου OpenFOAM® και εκτίμηση της αντίστοιχης στερεομεταφοράς με υφιστάμενο αριθμητικό σχήμα
Creators: name: Καζάκης, Ιωάννης Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Υδροδυναμικές διεργασίες παράκτιας ζώνης
OpenFOAM®
Τρισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση
Στερεομεταφορά
Hydrodynamics of coastal zone
OpenFOAM
3D Numerical Simulation
Sediment Transport

description: Οι διαδιδόμενοι από τα ανοιχτά προς την ακτή θαλάσσιοι κυματισμοί, μεταφέρουν πρωτίστως μεγάλα ποσά ενέργειας και δευτερευόντως μάζας, επιδρώντας άμεσα στην ισορροπία του παράκτιου περιβάλλοντος. Η διασφάλιση της εύρυθμης λειτουργιάς της παράκτιας ζώνης συνάδει με τις έννοιες της κοινωνικής και οικονομικής ευημερίας και ανάπτυξης, καθώς πλήθος ανθρωπογενών δραστηριοτήτων αναπτύσσονται στη περιοχή αυτή. Ένα από τα βασικά αίτια υποβάθμισης του παρακτίου περιβάλλοντος είναι αυτό της διάβρωσης των ακτών, διεργασία η οποία προέρχεται είτε από επιβλαβείς ανθρωπογενείς παρεμβάσεις (άστοχα τεχνητά έργα, κ.α.) είτε από φυσικές διεργασίες όπως η εμφάνιση της κλιματικής αλλαγής. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα διατριβή επιχειρεί να δώσει μια ολοκληρωμένη απάντηση στο πρόβλημα της διάβρωσης του παρακτίου μετώπου η οποία βασίζεται στη χρήση προηγμένων μαθηματικών ομοιωμάτων παράκτιας υδροδυναμικής και προσδιορισμού της στερεομεταφοράς κατά μήκος των ακτών. Για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών της κυματικής ροής χρησιμοποιείται ο επιλυτής πολλαπλών φάσεων interfoam οποίος περιλαμβάνεται στο πακέτο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) ανοιχτού κώδικα OpenFOAM® , σε συνδυασμό με τη κυματική βιβλιοθήκη waves2Foam, (Jacobsen et al. 2012). H επίλυση των τρισδιάστατων μέσων χρονικά εξισώσεων ροής Navier – Stokes, (RANS) επιτυγχάνεται με τη συνεισφορά της μεθόδου Volume Of Fluid, (VOF), για την ανίχνευση της διεπιφάνειας των δύο ρευστών, αέρας – νερό, στα οπoία διαδίδεται η κυματική διαταραχή. Το αριθμητικό σχήμα εμπλουτίζεται με κατάλληλες αρχικές και συνοριακές συνθήκες (οι οποίες παρέχονται μέσω του OpenFOAM®). Στην είσοδο και στην έξοδο του υπολογιστικού χωριού εφαρμόζονται ζώνες παραγωγής και απορρόφησης κυματισμού οι οποίες εφαρμόζονται με χρήση της κυματικής βιβλιοθήκης waves2Foam. Η προσομοίωση των τυρβωδών χαρακτηριστικών της κυματικής ροής και συνεπώς η διαχείριση του προβλήματος «κλεισίματος της τύρβης» στην παρούσα εργασία επιτυγχάνεται με εφαρμογή του μοντέλου τύρβης k – ω SST όπως αυτό αναπτύχτηκε από τον Menter, (1994). Το συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιείται στην παρούσα περίπτωση με προσθήκη του όρου Gb (buoyancy term) στην εξίσωση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας k, ο οποίος ουσιαστικά αφαιρεί το παραγόμενο ποσό τυρβώδους κινητικής ενέργειας στις περιοχές στρωτής ροής, στοχεύοντας στην απαλοιφή της τυρβώδους κινητικής ενέργειας που εμφανίζεται στη διεπιφάνεια νερού αέρα σε περιοχές στρωτής ροής. H επιλογή παραμέτρων του επιλυτή interfoam ούτως ώστε να είναι σε θέση να αποτυπώσει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά της κυματικής ροής για τα οποία εφαρμόζεται, επιτυγχάνεται στην παρούσα εργασία μέσα από συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την εφαρμογή, όπως ο βέλτιστος αριθμός σημείων ανά ύψος κύματος, καθώς και με υποδείξεις από τη συναφή βιβλιογραφία, π.χ. Larsen et al., (2019). Κατά την εφαρμογή του αριθμητικού σχήματος, αρχικά διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα του στην αποτύπωση βασικών κυματικών διεργασιών μέσα από τη προσομοίωση σημαντικών πειραματικών εργασιών στις οποίες συναντώνται τα προς μελέτη κυματικά φαινόμενα. Τα εξαγόμενα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται σε κάθε περίπτωση με τα αντίστοιχα πειραματικά.
description: Sea waves, propagating large amounts of energy and secondarily mass, from the open sea to the coast, are a very important factor that affects coast stability, the balance of the ecosystem in the coastal zone, the interaction with coastal structures, coastal pollution etc. The appropriate use and exploitation of coastal zones is interconnected with the requirements of detailed planning concerning both technological and manufacturing activities that take place in the coastal environment. This becomes more important taking into account that the coastal environment is an extremely significant factor both in economic and social terms for the overall development of a region. This study focuses on the numerical investigation of hydrodynamic processes and sediment transport rates estimations of coastal zone. Hydrodynamic prediction of significant coastal zone physical wave phenomena such as wave breaking and wave-induced currents is achieved using interfoam multiphase solver, part of OpenFOAM®, a state of the art open-source Computational Fluid Dynamics – CFD, numerical tool. The three dimensional Reynolds – time Averaged Navier - Stokes equations, (RANS) are solved with the contribution of Volume of Fluid method (VOF) for free surface tracking. The numerical scheme is suitably framed by appropriate initial and boundary conditions. At the inlet and outlet boundaries of the numerical domain, wave generation and absorption conditions were used respectively, as relaxation zones techniques, implemented using waves2Foam, (Jacobsen et al., 2012). The turbulence closure problem is handled using a buoyancy modified k - ω SST model. Specifically, in this work, turbulence modeling is achieved using the incompressible k- ω SST model as implemented by Menter, (1994) with an additional buoyancy term as implemented by Devolder et al., (2018). The buoyancy term according to Devolder et al. (2018), contributes to the suppression of turbulence level at free water surface especially in zones where the governing direction of the density gradient is vertical, i.e. the zone near the free surface where non – breaking waves are propagating and consequently the turbulent viscosity vt, tends to zero. Appropriate interfoam’s setting according the work of Larsen et. al (2019) were used to export successful numerical results as interfoam solver comes with default parameters. The time and space discretization, the iterative solvers options, the solution tolerances and algorithm settings are some of the available numerical parameterization options. To investigate the accuracy of hydrodynamic numerical results an extensive comparison with benchmark experimental cases was carried out, either in two-dimensional or three-dimensional setup, including the presence of relevant wave phenomena.