Αριθμητική διερεύνηση παράκτιων διεργασιών υπεράνω τρισδιάστατου πυθμένα και ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό

Abstract

The research object of this dissertation includes two thematic sections in the general investigation of coastal processes: a) The effect of three-dimensional (3D) ripples on the turbulent oscillatory boundary layer and b) The performance of a perched beach.All the results were obtained from simulations based on the numerical solution of the incompressible Navier–Stokes equations. The turbulence was modeled using the large-eddy simulations (LES). The application of the no-slip flow conditions on the 3D bed was achieved through a modified immersed boundary (IB) method for coastal and river flows. Concerning the PB cases, the Navier–Stokes equations were solved for two-phase flow and the air-water interface was tracked using the level-set method. In the area of wave run-up, the coast was treated as a porous medium, through appropriate modifications of the Navier–Stokes equations. To achieve large Reynolds number simulations, a wall layer model was used to enforce the no-slip condition at the bottom. Eight cases of turbulent oscillatory flow over ripples were simulated. To create the transient bedform geometries, a spanwise sinusoidal crest was introduced in the central ripple of the domain by keeping its height constant and modifying its length. Above the 3D rippled bottom, steeper regions are associated with thicker recirculation areas, while lower ripple steepness regions produce thinner recirculation vortices. Furthermore, in the vicinity of the 3D crest, a secondary flow with velocities ~0.1Uo and significant streamwise vortical structures exist. Regions with potentially higher erosion rates were identified based on the magnitude of the bed shear stress, and asymmetric distributions of bed shear stress is postulated to drive the evolution towards the equilibrium 2D state. In addition, the net currents around the 3D crest exhibit higher mean velocities on the steep-sloped side of the crest than on the mild-sloped one, contributing to the bed evolution towards a 2D configuration. Finally, the final equilibrium 2D geometry presents the least bed resistance compared to the bedform defect geometries considered in the present study. Comparing the results without and with PB, it was found that the breaking wave height is not affected for the medium and small wave, whereas it is slightly increased for the large wave at PB. Stronger vortical structures can be identified around the sill for the waves that break offshore of it, which may cause more intense sediment movement, leading to possible scour. This observation is reinforced by the results of the shear stress that showed its increase in the nourished area. In all cases, the increase in shear stress in absolute value was approximately doubled, thus emphasizing that the nourished sediment must be coarser, at least twice the diameter, of the existing one, to yield a PB profile with the same morphodynamic behavior as the existing. In addition, an increase in the undertow was observed in all PB cases. Finally, the presence of the PB has approximately quadrupled the reflected conditions, thus contributing to the reduction of the wave energy attacking the beach.

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής περιλαμβάνει δύο θεματικές ενότητες στο γενικότερο πλαίσιο της διερεύνησης των παράκτιων διεργασιών: α) Επίδραση των τρισδιάστατων (3Δ) πτυχώσεων (αμμοκυματίων, sand ripples) πυθμένα στο τυρβώδες οριακό στρώμα κυμάτων και β) Αποτελεσματικότητα ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό. Όλα τα αποτελέσματα προέκυψαν από προσομοιώσεις που βασίζονται στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier–Stokes ασυμπίεστης ροής. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται με τη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών (large-eddy simulation). Η εφαρμογή των οριακών συνθηκών του ρευστού στην 3Δ επιφάνεια του πυθμένα γίνεται μέσω μίας τροποποιημένης μεθόδου Εμβαπτισμένου Ορίου για παράκτιες και ποτάμιες ροές. Στην περίπτωση της προσομοίωσης προσπιπτόντων κυμάτων σε ακτή, οι εξισώσεις Navier–Stokes επιλύονται για διφασική ροή και η εξέλιξη της ελεύθερης επιφάνειας παρακολουθείται με τη μέθοδο level-set. Στην περιοχή της κυματογενούς αναρρίχησης, η ακτή αντιμετωπίζεται ως πορώδες μέσο, μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων των εξισώσεων Navier–Stokes. Για να επιτευχθούν προσομοιώσεις με μεγάλους αριθμούς Reynolds, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο τοιχώματος για την επιβολή της συνθήκης μη ολίσθησης στον πυθμένα.Οκτώ περιπτώσεις πυθμένα με πτυχώσεις προσομοιώθηκαν αριθμητικά. Για να δημιουργηθούν τα μεταβατικά στάδια του 3Δ πυθμένα, εισήχθη μία ημιτονοειδής κορυφή στην κεντρική πτύχωση, διατηρώντας σταθερό το ύψος και μεταβάλλοντας το μήκος του. Διαπιστώθηκε πως υπεράνω του 3Δ πυθμένα, οι περιοχές με απότομες κλίσεις δημιουργούν μεγαλύτερους στροβίλους από τις περιοχές με πιο ήπιες κλίσεις. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική δευτερεύουσα εγκάρσια ροή με ταχύτητες ~0.1Uo και σημαντικούς διαμήκεις στροβίλους στην περιοχή της 3Δ κορυφής. Οι περιοχές με δυνητικά υψηλότερους ρυθμούς διάβρωσης εντοπίστηκαν βάσει της διατμητικής τάσης και η ασύμμετρη κατανομή της που παρατηρήθηκε εικάζεται πως συμβάλλουν στην εξέλιξη προς τη 2Δ κατάσταση ισορροπίας. Τα ρεύματα γύρω από την 3Δ πτύχωση εμφανίζουν υψηλότερες μέσες ταχύτητες στην απότομη πλευρά της σε σχέση με την ήπια, συμβάλλοντας επίσης στην τελική 2Δ διαμόρφωση της. Τέλος, εκτιμήθηκε η αντίσταση του πυθμένα με πτυχώσεις και βρέθηκε πως η 2Δ πτύχωση ισορροπίας παρουσιάζει τη μικρότερη αντίσταση σε σύγκριση με τις υπόλοιπες 3Δ πτυχώσεις που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη.Αναφορικά με τα αποτελέσματα της τεχνητής αναπλήρωσης οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό (ΤΑΥΑ), διαπιστώθηκε πως το ύψος κύματος στη θραύση δεν επηρεάζεται για τον μεσαίο και μικρό κυματισμό, ενώ είναι ελαφρώς μειωμένο για το μεγάλο κύμα στην ΤΑΥΑ. Ισχυρές δομές στροβιλισμού παρατηρήθηκαν κοντά στον αναβαθμό στις περιπτώσεις που το κύμα θραύεται λόγω αυτού και συνδέθηκαν με ενδεχομένως πιο έντονη μεταφορά ιζήματος, οδηγώντας έτσι στην υποσκαφή του. Η παρατήρηση αυτή ενισχύεται και από τα αποτελέσματα της διατμητικής τάσης που έδειξαν αύξηση της στην περιοχή του αναβαθμού. Σε όλες τις περιπτώσεις, η αύξηση της διατμητικής τάσης κατά απόλυτη τιμή προέκυψε περίπου διπλάσια, τονίζοντας έτσι πως το υλικό εμπλουτισμού πρέπει να επιλεχθεί πιο χονδρόκοκκο (τουλάχιστον με διπλάσια διάμετρο) από το υφιστάμενο ίζημα, ώστε το προφίλ του πυθμένα να έχει την ίδια μορφοδυναμική συμπεριφορά με το υφιστάμενο. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της ταχύτητας του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος στις περιπτώσεις με ΤΑΥΑ. Τέλος, η παρουσία της ΤΑΥΑ έχει τετραπλασιάσει περίπου τις ανακλώμενες συνθήκες σε σχέση με την απροστάτευτη παραλία, συμβάλλοντας σημαντικά στη μείωση της προσπίπτουσας κυματικής ενέργειας.