Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12689
Title: Αριθμητική προσομοίωση κυματικών διεργασιών σε ακτές μη σταθερής κλίσης πυθμένα και υπεράνω ίσαλων κυματοθραυστών
Other Titles: Numerical simulation of wave processes over beaches of varying slope and over zero-freeboard breakwaters
Authors: Κουτρουβέλη, Θεοφανώ
Keywords: Παράκτια ζώνη
Ακτές μη σταθερής κλίσης
Ίσαλοι κυματοθραύστες
Διφασικές ροές
Μέθοδος εμβαπτισμένου ορίου
Μοντέλο υποπλεγματικών τάσεων
Κυματική απόσβεση
Υποβρύχιο κυματογενές ρεύμα
Θραύση εκχείλισης
Ανάκλαση
Κυματική μετάδοση
Keywords (translated): Coastal zone
Varying slope beaches
Zero freeboard breakwaters
Two-phase flows
Immersed boundary method
Level set
Smagorinsky subgrid scale model
Weave dissipation
Undertow
Spilling breaker
Wave reflection
Wave transmission
Abstract: Η παράκτια ζώνη αποτελεί μια περιοχή ζωτικής σημασίας από οικονομικής, πολιτιστικής και περιβαλλοντικής σκοπιάς. Από την άλλη πλευρά οι φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στη ζώνη αυτή, οδηγούν πολλές φορές στη διάβρωση της με αποτέλεσμα να κρίνεται αναγκαία η προστασία της. Στην παρούσα διατριβή διερευνάται αφενός η διάδοση και θραύση κυμάτων υπεράνω ακτών σταθερής και μεταβλητής κλίσης πυθμένα, και αφετέρου η ροή υπεράνω ίσαλων κυματοθραυστών μέσω αριθμητικής προσομοίωσης. Οι εξισώσεις που υιοθετούνται είναι οι δισδιάστατες φιλτραρισμένες εξισώσεις Navier-Stokes για διφασική ασυμπίεστη συνεκτική ροή. Το φιλτράρισμα των εξισώσεων προκύπτει λόγω χρήσης της μεθόδου προσομοίωσης μεγάλων δινών (LES), με αποτέλεσμα οι εξισώσεις ροής να αφορούν τις επιλυόμενες μεγάλες κλίμακες της ροής. Η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων στηρίζεται στη μέθοδο του κλασματικού χρονοβήματος για την χρονική διακριτοποίηση, ενώ για τη χωρική στη χρήση πεπερασμένων διαφορών σε ένα έκκεντρο πλέγμα. Στην περιοχή των κυματοθραυστών οι εξισώσεις αυτές τροποποιούνται ώστε να καθίσταται ικανή η επίλυση και εντός του πορώδους μέσου. Για την εφαρμογή των οριακών συνθηκών στον πυθμένα χρησιμοποιείται η Μέθοδος Εμβαπτισμένου Ορίου (Immersed Boundary Method), ενώ για την εξέλιξη της ελεύθερης επιφάνειας η μέθοδος level-set. Τα προσπίπτοντα κύματα δημιουργούνται από κυματογεννήτρια τύπου εμβόλου στο αριστερό όριο του πεδίου, ενώ για την αντιμετώπιση των φαινομένων ανάκλασης του κυματισμού από το όριο εισόδου (κυματογεννήτρια) του υπολογιστικού πεδίου χρησιμοποιείται ζώνη απορρόφησης του κύματος. Η επαλήθευση της ακρίβειας της αριθμητικής μεθόδου επιτυγχάνεται μέσω σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα για τέσσερις διαφορετικές περιπτώσεις. Οι δύο πρώτες αφορούν τη διάδοση και θραύση κύματος υπεράνω ακτών ήπιας και απότομης σταθερής κλίσης, αντίστοιχα, η τρίτη τη διάδοση μη θραυόμενου κυματισμού υπεράνω βυθισμένου τραπεζοειδούς αναβαθμού και η τελευταία τη διάδοση και θραύση κύματος υπεράνω πορώδους κυματοθραύστη χαμηλής στέψης. Από τις συγκρίσεις, που αφορούν αποτελέσματα για την ανύψωση της ελεύθερης επιφάνειας και το πεδίο ταχυτήτων, προκύπτει ότι ο αριθμητικός κώδικας περιγράφει σε ικανοποιητικό βαθμό τις διάφορες διεργασίες που συμβαίνουν στην παράκτια ζώνη και πλησίον της στέψης των κατασκευών. Όσον αφορά τις ακτές, εξετάσθηκαν συνολικά έξι διαφορετικές περιπτώσεις, δύο από τις οποίες είναι ακτές σταθερής κλίσης, ενώ οι υπόλοιπες τέσσερις είναι ακτές μεταβλητής κλίσης τύπου “Larson”. Τα προφίλ πυθμένα των ακτών Larson διαχωρίζονται σε δύο ζώνες: μια εξωτερική με σταθερή κλίση tanβ και μία εσωτερική με μεταβαλλόμενη κλίση. Από τα αριθμητικά αποτελέσματα, τα οποία περιλαμβάνουν στιγμιότυπα της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας, μεταβολή του ύψους κύματος στη ζώνη απόσβεσης και πεδία ταχυτήτων αποδεικνύεται ότι το βάθος και ύψος θραύσης μειώνονται καθώς η κλίση στην ακτογραμμή αυξάνεται. Επίσης, αποδεικνύεται ότι ο αδιάστατος συντελεστής ανάλωσης, Κ, δεν εξαρτάται από την μεταβαλλόμενη κλίση στην εσωτερική ζώνη άλλα σχετίζεται με την σταθερή κλίση tanβ στην εξωτερική ζώνη. Τέλος, η ταχύτητα στη ζώνη απόσβεσης επηρεάζεται από την μεταβαλλόμενη κλίση στην εσωτερική ζώνη μόνο στις περιπτώσεις που η κλίση της ακτής στην εξωτερική ζώνη είναι ηπιότερη. Στις περιπτώσεις που η κλίση της ακτής στην εξωτερική ζώνη είναι απότομη δεν παρατηρούνται ουσιώδεις διαφορές με την αλλαγή της κλίσης στην ακτογραμμή. Όσον αφορά τους ίσαλους κυματοθραύστες με πορώδες, εξετάζονται τρεις διαφορετικές διατάξεις και δύο διαφορετικοί κυματισμοί, με σκοπό την μελέτη της επίδρασης του πλάτους στέψης και της περιόδου/μήκους κύματος στα υδροδυναμικά φαινόμενα και στο ροϊκό πεδίο πλησίον της στέψης αυτών των κατασκευών. Από τα αριθμητικά αποτελέσματα, τα οποία περιλαμβάνουν στιγμιότυπα της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας, συντελεστές ανάκλασης και μετάδοσης, πεδία ταχυτήτων και στροβιλότητας και γραμμές ροές, αποδεικνύεται ότι το πλάτος στέψης δεν επηρεάζει το πεδίο ροής στην προσήνεμη πλευρά των κατασκευών, σε αντίθεση με την υπήνεμη, που παρατηρούνται μεγάλες διαφορές. Συγκεκριμένα, όσο αυξάνεται το πλάτος στέψης, τόσο μειώνεται η ενέργεια του μεταδιδόμενου κυματισμού, οι διακυμάνσεις της ελεύθερης, οι συντελεστές μετάδοσης και το μέτρο της ταχύτητας της ροής. Επίσης, αποδεικνύεται ότι για το ίδιο πλάτος στέψης, όσο μειώνεται το μήκος/περίοδος κύματος, τόσο αυξάνεται η μέγιστη τιμή του ύψους κύματος και οι τιμές των ταχυτήτων στην προσήνεμη πλευρά των κατασκευών. Το αντίθετο συμβαίνει στην υπήνεμη πλευρά στην οποία το ύψος κύματος και το μέτρο των ταχυτήτων αυξάνεται όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος/περίοδος του κύματος.
Abstract (translated): The coastal zone is an area of vital importance from an economic, cultural and environmental point of view. On the other hand, the natural processes that take place in this zone often lead to its erosion and it is therefore necessary to protect it. In this dissertation we investigate wave propagation and breaking over beaches with constant and varying slope, and the flow over zero freeboard breakwaters through numerical simulation. The two-dimensional filtered Navier-Stokes equations for two-phase incompressible flow are adopted. The filtering of the equations results from the use of the LES method, and as a result the flow equations refer to the resolved large scales of the flow. The spatial discretization of the governing equations is based on the use of finite differences on a Cartesian staggered grid, while a fractional-step method is employed for velocity-pressure coupling. In the region of the breakwaters, these equations are modified to simulate the flow inside the porous media. The implementation of the boundary conditions is based on the use of the Immersed Boundary Method, while for the evolution of the free surface the level-set method is used. The incident waves are generated by a piston-type wavemaker located at the left boundary of the computational domain, while a relaxation zone is implemented just downstream of the wavemaker in order to avoid undesired wave reflections. The validation of the numerical method is achieved by comparing the numerical results with experimental data for four different cases. The first two cases refer to wave propagation and breaking over beaches with mild and steep constant slopes, respectively, the third refer to wave propagation over a submerged trapezoidal bar, and the latter to the wave propagation and breaking over a low-crested porous breakwater. The results, which include the elevation of the free surface and the velocity field, indicate that the numerical code describes very well the various processes occurring in the coastal zone and in the proximal area of the structures. Regarding the beaches, a total of six different cases were examined, two of which are constant sloped, while the other four are Larson-type slopes. Larson's bottom profiles are divided into two regions: an outer region with a constant slope tanβ and an inner region with varying slope. From the numerical results, which include snapshots of the free surface elevation, variation of the wave height in the surf zone and velocity fields, it is shown that the breaking depth and height decrease as the slope at the coastline increases. It is also proved that the dimensionless decay coefficient, K, does not depend on the varying slope in the inner region, but it is related to the constant slope tanβ in the outer region. Finally, the velocity in the surf zone is affected by the varying slope in the inner region only in the cases where the slope of the coast in the outer region is milder. In the cases where the slope of the coast in the outer region is steep, no substantial differences are observed with a change in the slope at the coastline. Regarding the zero freeboard porous breakwaters, three different layouts and two different waves are examined to study the effect of the crest width and the wavelength on the hydrodynamic phenomena and the flow field in the vicinity of these structures. From the numerical results, which include snapshots of the free surface elevation, reflection and transmission coefficients, velocity and vorticity fields and flow lines, it is shown that the crest width does not affect the flow field in the seaward side of the structures, unlike the leeward, where great differences are observed. Specifically, as the crest width increases, the energy of the transmitted waves, the fluctuations of the free surface, the transmission coefficients, and the magnitude of the flow velocity are reduced. Also, it turns out that for the same crest width as the wavelength / wave period decreases, both the maximum value of the wave height and velocity increase at the seaward side of the structures. The opposite happens at the leeward side where the wave height and the velocity magnitude increase as the wavelength / wave period increases.
Appears in Collections:Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD Thesis Koutrouveli.pdf7.32 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons