Μετάδοση θραυόμενων κυματισμών επάνω από ύφαλους κυματοθραύστες

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η απόδοση ενός αριθμητικού μοντέλου Boussinesq (Chondros and Memos, 2012) το οποίο στη συνέχεια τροποποιήθηκε ώστε να λαμβάνεται υπόψη το πορώδες της κατασκευής (Metallinos and Memos, 2012; Metallinos et al. 2013) για την περιγραφή της διάδοσης μονοχρωματικών κυματισμών πάνω από ύφαλους κυματοθραύστες. Το μοντέλο βασίζεται σε ένα σύστημα εξισώσεων με βασικές μεταβλητές την ανύψωση της επιφάνειας, τη μέση ως προς το βάθος οριζόντια ταχύτητα και τη μέση, ολοκληρωμένη στο βάθος οριζόντια ταχύτητα ρευστού στο πορώδες μέσο. Σύμφωνα με προγενέστερες επαληθεύσεις του μοντέλου, η προσέγγιση είναι κατάλληλη για πλήρους διασποράς και ελαφρώς μη γραμμικά, σύνθετα και απλά κύματα που διαδίδονται πάνω από οποιοδήποτε πεπερασμένο βάθος πυθμένα ήπιας κλίσης σε δύο οριζόντιες διαστάσεις. Αντιθέτως, η παρούσα εργασία προσανατολίζεται σε μια προσπάθεια αξιολόγησης της συμπεριφοράς του μοντέλου για τη δυνάμενη πρόβλεψη της προκαλούμενης κυματικής κινηματικής, λόγω παρεμβολής ύφαλης κατασκευής διαμορφωμένης έτσι ώστε να προκαλεί απότομες αλλαγές στην κλίση του πυθμένα. Για την επαλήθευση του αριθμητικού μοντέλου προς αυτήν την κατεύθυνση, πραγματοποιήθηκαν πειράματα στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου με τη διαμόρφωση δύο βασικών σεναρίων. Για τις ανάγκες μονοδιάστατης ανάλυσης, διαμορφώθηκαν δύο φυσικά ομοιώματα διατομής ύφαλης κατασκευής ίδιας γεωμετρίας με τη μόνη δομική διαφοροποίηση τους να έγκειται στο πορώδες. Για την κάθε διατομή, στη βάση των ίδιων σεναρίων βαθυμετρίας και κυματικού κλίματος, εξήχθησαν μια σειρά μετρήσεων της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας.

Submerged breakwaters (SB), often rubble-mound structures, can be used to reduce wave energy, mostly by wave breaking, and thus prevent beach erosion, while ensuring the environmental value of the coastal landscape. Within this work the fully dispersive and highly nonlinear Boussinesq-type model of Chondros and Memos (2012) was used to simulate the propagation of regular waves, over permeable and impermeable submerged structures in terms of 1D analysis. In permeable cases the model was extended following the approach of Metallinos and Memos, 2012; Metallinos et al. 2013 accommodating the effect of a flow over a porous medium. The performance of the above simulations in capturing free surface elevation due to propagation of regular waves over submerged breakwaters was examined. The model is based on a set of equations with crucial parameters the surface elevation, the depth integrated horizontal velocity and depth integrated horizontal velocity within the structure. The approach is valid for fully dispersive and weakly non-linear irregular waves propagating over any finite water depth with mild sloping floor in two horizontal dimensions. In contrast, this is an attempt to evaluate the behavior of the simulation for the prediction of the induced wave kinematics due to submerged constructions with steep slopes. The basic concern of this project lies on the influence of porosity in wave propagation, so the Boussinesq model was modified to take into account this factor. To verify the numerical model, experiments were conducted at the Laboratory of Harbor Works (LHW) at the National Technical University of Athens. The main approach dealt with two basic scenarios, thus for two physical models (under scale) of a submerged breakwater were tested. In order to gather experimental data, results were obtained for wave propagation over permeable and impermeable bed by keeping all parameters constant and modifying only material permeability. On the basis of the same bathymetry and wave climate scenarios, a series of measurements suitable for comparative study was taken.