Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13283
Title: Πειραματική διερεύνηση της τυρβώδους ροής λόγω αλληλεπίδρασης θαλασσίων κυμάτων και ίσαλων κυματοθραυστών με πρανή φυσικών ογκολίθων
Other Titles: Experimental study of the turbulent flow induced by the interaction of waves and rubble mound zero-freeboard breakwaters
Authors: Γαλάνη, Κωνσταντίνα
Keywords: Ίσαλοι κυματοθραύστες
Βελοειδές ρεύμα
Μεθοδολογία PIV
Μεθοδολογία ADV
Μετάδοση κύματος
Κυματογενή ρεύματα
Keywords (translated): Zero-freeboard breakwaters
Rip current
PIV
ADV
Wave transmission
Wave-generated currents
Abstract: Η παράκτια ζώνη θεωρείται ως ένα από τα πιο δυναμικά φυσικά περιβάλλοντα, καθώς σε αυτήν λαμβάνουν χώρα σημαντικές φυσικές διεργασίες. Η συνδυασμένη δράση των φυσικών φορτίσεων και των έντονων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, πολλές φορές οδηγεί στην δημιουργία προβλημάτων διάβρωσης που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται πειραματικά αφενός η διάδοση κυμάτων υπεράνω ακτής σταθερής, απότομης κλίσης πυθμένα, αφετέρου η μεταβολή της παράκτιας κυκλοφορίας στην περίπτωση κατασκευής ίσαλου κυματοθραύστη στην εν λόγω ακτή, καθώς επίσης και η ροή που αναπτύσσεται τελικά στην εγγύς περιοχή του έργου και υπεράνω του στρώματος θωράκισης αυτού. Για την πραγματοποίηση των πειραματικών μετρήσεων κατασκευάστηκαν τρία εργαστηριακά ομοιώματα, μια ακτή απότομης κλίσης 1/15, ένας ίσαλος κυματοθραύστης με πρανή φυσικών ογκολίθων υπό κλίμακα 1/30 και ένα πρανές κλίσης 1/3 με στρώμα θωράκισης από φυσικούς ογκόλιθους. Οι εργαστηριακές μετρήσεις διεξήχθησαν με χρήση δύο διαφορετικών μεθοδολογιών για την μέτρηση του πεδίου των ταχυτήτων, της μεθοδολογίας ADV και της μεθοδολογίας PIV, ενώ πραγματοποιήθηκαν και καταγραφές της στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας. Όσον αφορά στην ακτή απότομης κλίσης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της στιγμιαίας ταχύτητας της ροής που αναπτύσσεται λόγω της διάδοσης κυμάτων υπεράνω αυτής, σε διάφορες θέσεις κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων και για πέντε διαφορετικά σενάρια κυματισμών. Τα αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία κυματογενούς ρεύματος εγκαρσίως στην ακτογραμμή, με κατεύθυνση προς τα βαθιά, με ταχύτητες της τάξης των 0.1 - 0.25 m/s και διαμήκη συνιστώσα που αυξάνει αυξανομένου του ύψους του διαδιδόμενου κυματισμού. Η κατανομή της διαμήκους συνιστώσας του κυματογενούς ρεύματος εμφανίζει γραμμική μεταβολή ως προς το βάθος ανάντη της ζώνης θραύσης, ενώ όσο προσεγγίζουμε το βάθος θραύσης db, καθώς και εντός της ζώνης απόσβεσης, το κυματογενές ρεύμα εμφανίζει παραβολική κατανομή ως προς το βάθος, λόγω της σαφούς επιρροής του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος που αναπτύσσεται εντός της ζώνης απόσβεσης. Όσον αφορά στο εργαστηριακό ομοίωμα ίσαλου κυματοθραύστη, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία δύο επιφανειακών στροβίλων αντίθετης φοράς στην υπήνεμη πλευρά του έργου, καθώς επίσης και την δημιουργία ισχυρών κυματογενών ρευμάτων στην εγγύς περιοχή του κυματοθραύστη. Στην υπήνεμη πλευρά του κυματοθραύστη εντοπίζεται ένα σχετικά ισχυρό κυματογενές ρεύμα κατά μήκος του εγκάρσιου άξονα συμμετρίας του έργου, με κατεύθυνση από την ακτογραμμή προς τον υπήνεμο πόδα, το οποίο προκαλείται ώστε να εξισορροπηθεί η ροή μάζας προς την ακτογραμμή λόγω υπερπήδησης όγκου νερού υπεράνω του έργου, εξαιτίας της χαμηλής στάθμης της στέψης. Επιπλέον, στο άνοιγμα του έργου εντοπίζεται ένα ακόμα ισχυρότατο κυματογενές ρεύμα, εγκάρσιο στην ακτογραμμή και με κατεύθυνση προς τα βαθιά, το επονομαζόμενο βελοειδές ρεύμα, με διαμήκεις ταχύτητες που κυμαίνονται από 0.10 - 0.46 m/s. Η ένταση του βελοειδούς ρεύματος αυξάνει στις περιπτώσεις που οι διαδιδόμενοι κυματισμοί εκδηλώνουν έντονη θραύση, ενώ η κατακόρυφη δομή του ρεύματος είναι ομοιόμορφη ως προς το βάθος εντός της ζώνης απόσβεσης , μεταβάλλεται ωστόσο γραμμικά με το βάθος στην εξωτερική παράκτια ζώνη. Ως προς την εγκάρσια διεύθυνση, το βελοειδές ρεύμα εμφανίζει μεγαλύτερες ταχύτητες στο μέσον του ανοίγματος μεταξύ παράλληλων κυματοθραυστών, ενώ πλησίον του ακρομωλίου του ίσαλου κυματοθραύστη οι τιμές της διαμήκους συνιστώσας της ταχύτητας του βελοειδούς ρεύματος μειώνονται, κυρίως πλησίον του πυθμένα. Η ένταση της τύρβης στην υπήνεμη πλευρά και στο άνοιγμα του κυματοθραύστη είναι της ίδιας τάξης μεγέθους, με τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 0.05 - 0.10. Τέλος, όσον αφορά στο στρώμα θωράκισης πρανούς φυσικών ογκολίθων, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία κυματογενούς ρεύματος κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων, με κατεύθυνση προς τα βαθιά. Η μεταβολή του ρεύματος είναι σχετικά γραμμική ως προς το βάθος και προσομοιάζει την κατακόρυφη δομή του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος ανάντη της ζώνης απόσβεσης, δηλαδή στην εξωτερική παράκτια ζώνη. Η ένταση της τύρβης υπεράνω του πρανούς εμφάνιζε τιμές της τάξης του 0.15 - 0.40, ενώ η παραγωγή της τύρβης ενισχυόταν σημαντικά από την εξαιρετικά τραχεία επιφάνεια του στρώματος θωράκισης και από συμβάντα εκτίναξης - αναρρόφησης διαμέσου του πορώδους της κατασκευής. Για την διάδοση μονοχρωματικών κυματισμών υπεράνω του πρανούς ογκολίθων, προσδιορίστηκε η σχετική συμβολή της διαμήκους, της εγκάρσιας και της κατακόρυφης τυρβώδους διακύμανσης της ταχύτητας στην κατανομή της μέσης χρονικά τυρβώδους κινητικής ενέργειας, η οποία προέκυψε ίση με 0.44, 0.28 και 0.28, για τις τρεις συνιστώσες της διακύμανσης της ταχύτητας, αντίστοιχα. Από την μελέτη των μέσων ανά φάση του κύματος πεδίων της ταχύτητας διαπιστώθηκε ότι το πρανές συμπεριφέρθηκε περισσότερο ως μια υδραυλικώς τραχεία επιφάνεια, παρά ως πορώδες μέσο, εξαιτίας του μικρού αριθμού στρώσεων (2) φυσικών ογκολίθων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του στρώματος θωράκισης.
Abstract (translated): Coastal zone is a purely dynamical environment, within the boundaries of which significant and complex natural processes take place. The combined action of environmental forcing (waves, coastal currents, sediment transport, e.t.c.) and intense anthropogenic activities, often leads to severe erosion problems that need immediate treatment. In the present thesis the flow induced by waves in the vicinity of a low-crested rubble mound breakwater with crest level at the still water level (zero freeboard) and above a rock-armored slope are examined experimentally. Experiments were conducted in a wave basin, 12 m long, 7 m wide and with a maximum still water depth of 1.05 m. The wave basin was equipped with a paddle wavemaker, which included an Active Wave Absorption Control System that combined wave generation with concurrent absorption of reflected waves directed back to the paddle. Three physical models were constructed: a 1/15 steep sloping beach, a detached rubble-mound zero-freeboard breakwater with geometric scale of 1:30 and a steep rock-armored slope of 1/3. Seven cases of incoming waves were examined, both regular and irregular ones. Free surface elevation and velocity measurements were obtained in several locations of the wave tank using wave gauges, PIV and ADV, respectively. The experimental study of the flow induced by propagating waves above the 1/15 steep sloping beach revealed the development of a wave-generated cross-shore current with seaward direction, for all wave cases tested. Upstream the surf zone, the cross-shore current magnitude decreased as we move away from the free surface and tended to zero near the sloping bottom, while its horizontal velocity showed a linear dependence over depth. Inside the surf zone, the cross-shore current magnitude was significantly larger and its horizontal velocity presented a parabolic distribution over depth due to the clear influence of the undertow current developed inside the surf zone. Regarding the flow developed in the vicinity of the detached rubble-mound zero-freeboard breakwater, experimental measurements revealed that the global transmission coefficient obtained values of 0.35 - 0.40 at the breakwater transverse symmetry plane, while its values increased as we moved towards the breakwater gap. Focusing on the wave-generated current field close to the breakwater, the generation of a cross-shore current was observed along the model transverse symmetry axis in order to balance the mass-flow occurred from water volumes overtopping the breakwater's crest. At the structure location, this cross-shore current "collided" with the overtopping water volume above the structure's crest, turned and started moving alongshore till the tip of the breakwater, where it diverted and started moving seawards forming the so called rip current. The developed rip current was a strong cross-shore current with seaward directions and magnitudes up to 0.46 m/s. At its origin's position (leeward toe), it displayed a relatively linear distribution over depth, while its magnitude increased close to the slope bottom and towards the gap's centerline. As the rip current flowed out of the breakwater leeside, it was accelerated and acquired a relatively uniform distribution over depth and towards the gap's centerline. Moving to even larger depths (seaward toe), the rip current preserved its large magnitude close to the free surface and started decelerating close to the slope bottom, while a linear distribution over depth reappeared. Finally, the experimental study of the flow developed above the rock-armored slope of 1/3 revealed the existence of a strong wave-generated current with seaward direction and a linear dependence with depth, similar to the vertical structure of the undertow outside the surf zone as modeled in Putrevu and Svendsen (1993). The mean turbulent intensity of the flow above the rock-armored slope was found quite high as a result of the intense turbulence production, while the turbulence diffusion aided by the action of the return current established substantial levels of turbulence intensity in the whole water column above the armor layer.
Appears in Collections:Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD_Dissertation_Galani_2019.pdf9.73 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons