ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΣΕ ΥΦΑΛΟ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ ΛΟΓΩ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ

ΜΕΤΑΛΛΗΝΟΣ, ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ; METALLINOS, ANASTASIOS

dc.contributor.author	ΜΕΤΑΛΛΗΝΟΣ, ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ	el
dc.contributor.author	METALLINOS, ANASTASIOS	en
dc.date.accessioned	2017-01-17T11:04:30Z
dc.date.available	2017-01-17T11:04:30Z
dc.date.issued	2017-01-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44214
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2427
dc.rights	Default License
dc.subject	Αριθμητικό μοντέλο τύπου Boussinesq	el
dc.subject	Διαπερατές κατασκευές	el
dc.subject	Εργαστηριακές μετρήσεις 1DH & 2DH	el
dc.subject	Κατανομή ταχυτήτων	el
dc.subject	Κατανομή πιέσεων	el
dc.title	ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΣΕ ΥΦΑΛΟ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ ΛΟΓΩ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ	el
dc.title	HYDRODYNAMIC CONDITIONS IN A SUBMERGED POROUS BREAKWATER	en
dc.contributor.department	Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗ	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-12-19
heal.abstract	Η προστασία της παράκτιας ζώνης αποτελούσε ανέκαθεν ένα προκλητικό πεδίο έρευνας για τους μηχανικούς λόγω της ευρείας πολυπλοκότητας των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτή. Κατά το παρελθόν, ογκώδεις κατασκευές, όπως οι συμβατικοί έξαλοι κυματοθραύστες, που ξεπερνούσαν την μέση στάθμη θάλασσας, χρησιμοποιήθηκαν για την προστασία των ακτογραμμών από διάβρωση. Στη σύγχρονη εποχή όμως, δοκιμάζεται η χρήση νέων μορφών κατασκευών, όπως οι ύφαλοι ή μονίμως βυθισμένοι κυματοθραύστες (Υ.Κ.), οι οποίες προσδίδουν ήπια μορφή στα παράκτια έργα και των οποίων η σημασία τους αυξάνεται λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τους. Δεδομένου, ότι η έρευνα για τη θαλάσσια ζωή παρέχει πληροφορίες σχετικά με παράγοντες όπως οι απαιτούμενες ταχύτητες και πιέσεις για διάφορα είδη χλωρίδας και πανίδας, μια βασική παράμετρος για να αξιολογηθεί κατά πόσο μπορούν οι συγκεκριμένες κατασκευές να αποτελέσουν τοπικό οικότοπο είναι οι κινηματικές συνθήκες που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των κατασκευών. Στο πλαίσιο αυτό, προέκυψε κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής ένα μοντέλο τύπου Boussinesq (mCM14) προκειμένου να καταστεί δυνατός ο προσδιορισμός τόσο της κυματικής διάδοσης επάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές όσο και των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός τους. Ακολουθώντας την προσέγγιση των Cruz et al. (1997) και Avgeris et al. (2004), εισήχθησαν πρόσθετοι όροι στις βασικές εξισώσεις του μοντέλου των Chondros and Memos (2014) καθώς και μια επιπλέον εξίσωση ορμής Darcy-Forchheimer προκειμένου να περιγραφεί η διάδοση των κυματισμών επάνω από διαπερατούς Υ.Κ. μέσω της αλληλεπίδρασης των κυμάτων με το πορώδες μέσο. Επιπρόσθετα, βασιζόμενοι αρχικά σε ένα κατακόρυφο προφίλ ταχυτήτων που έχει εφαρμογή έξω από το σώμα της κατασκευής (Dingemans 1997), καταστρώθηκε ένα προφίλ ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός διαπερατού Y.K. Έτσι, προέκυψε ένα μοντέλο πρόβλεψης των ταχυτήτων και των πιέσεων που δύναται να αναπτυχθούν στο εσωτερικό ενός πορώδους μέσου όπου σε συνδυασμό με τις βασικές εξισώσεις Boussinesq παρέχει μία ολοκληρωμένη προσομοίωση τόσο των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός της κατασκευής όσο και της διάδοσης των κυματισμών επάνω από αυτήν. Προκειμένου να επαληθευτεί το αριθμητικό μοντέλο mCM14 και λόγω του σχετικά περιορισμένου αριθμού κατάλληλων πειραμάτων στη διεθνή βιβλιογραφία πραγματοποιήθηκαν πειράματα στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, του Ε.Μ.Π. σε διώρυγα δοκιμών που περιελάμβαναν μονοδιάστατη διάδοση μονοχρωματικών κυματισμών και αφορούσαν μετρήσεις μέγιστων ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός Υ.Κ. με κλίσεις πρανών 1:2 καθώς και μετρήσεις ανύψωσης/ταπείνωσης ελεύθερης επιφάνειας για θραυόμενους ή μη μονοχρωματικούς κυματισμούς. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν τρισδιάστατα (3D) πειράματα ταχυτήτων και μεταβολής στάθμης ελεύθερης επιφάνειας επάνω από πορώδη Υ.Κ. που κατασκευάστηκε σε δεξαμενή κυμάτων στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής, του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και αφορούσαν 2DH διάδοση μονοχρωματικών και σύνθετων (Jonswap) κυματισμών ενώ η εν λόγω εργαστηριακή διάταξη επιβεβαιώθηκε από το αριθμητικό μοντέλο και σε αναγωγή σε φυσική κλίμακα μέσω ομοιότητας κατά Froude. Το μοντέλο mCM14 έδειξε γενικά ικανοποιητική απόκριση σε όλα τα πειραματικά δεδομένα, όπου σε συνδυασμό με την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων σε φυσική κλίμακα έδειξε ότι είναι κατάλληλο για τεχνικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν διαπερατές κατασκευές, απότομες κλίσεις πρανών και θραυόμενους ή μη κυματισμούς. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα τόσο σε μηχανικούς και παράκτιους βιολόγους όσο και γενικότερα στην επιστήμη της ακτομηχανικής. Ο συνδυασμός τόσο της επαρκούς πρόβλεψης της διάδοσης των κυματισμών πάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές -άρα και η σωστή πρόβλεψη για τον σχεδιασμό της προστασίας της ακτής από διάβρωση- όσο και ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός των ύφαλων αυτών κυματοθραυστών –κατ΄ επέκταση η πρόβλεψη για την ελάχιστη δυνατή υποβάθμιση του θαλάσσιου περιβάλλοντος- αποκτούν ένα υψηλό επίπεδο καινοτομίας.	el
heal.abstract	Submerged breakwaters (SB), often rubble mound structures, are frequently built along the coast to reduce the impact of waves and currents affecting the shoreline, mainly by induced wave breaking, and to prevent beach erosion. This type of low-crested breakwaters enhances its acceptability due to its environmental advantages mainly in easing water circulation near the surface reducing thus any adverse impact on water quality, while ensuring the aesthetic value of the coastal landscape. These considerations demonstrate that the introduction of SB for protection of the coastal zone is a promising field of research. A solid understanding of the interaction between water waves and SB is thus vital, especially in SB with relatively steep slopes which are more commonly used. Only a little is known on how marine organisms respond to the SB’s presence. Hydrodynamic conditions, in the body of the structure, are known to be of significance for the habitation of marine life within and around the barrier. Indeed, in assessing the ecological impact of such a structure, knowledge of hydrodynamic field in the interior of the structure is of prime importance. The main target for technical applications is trying to combine the structure’s technical efficiency with ecological requirements. A key parameter to assess the shelter SB provide to the local habitats is the water particle velocity and pore pressure in the interior of the structure. In this study, in order to extent the applicability of a fully dispersive and highly nonlinear 2DH Boussinesq-type model presented by Chondros and Memos (2014), a depth-averaged Darcy equation, extended to include 2DH Forchheimer terms, calculating the flow within the porous medium following the approach of Cruz et al. (1997) and Avgeris et al. (2004). The modified Boussinesq-type model, referred to as mCM14 hereinafter, incorporates extra 2DH terms accounting for the interaction between the waves over the structure and the flow within the porous breakwater. Also, a major point of this study is to go a step further from the depth averaged velocity of the Boussinesq model in the interior of the structure and to present a method, that is not too difficult numerically, for estimating the distribution of horizontal particle velocities in two directions and respectively as well as pore pressures in the interior of a submerged permeable structure. A velocity profile, based on a distribution of the nonlinear wave theory (Dingemans, 1997), is fitted to the numerically predicted depth-integrated velocity given by mCM14 in the SB interior. Further, another method based in the full form of Darcy-Forchheimer equation is reworked to obtain the pore pressure as a function of the velocities quantities. Due to the small number of experiments including wave propagation over SB with steep slopes and extreme porosity and practically the lack of laboratory measurements of velocities and pressures in the interior of the structure, an adequate number of 1DH and 2DH experiments were conducted during the present research. Specifically, for the sake of comparison with the mCM14 model, laboratory measurements of free surface elevation, orbital velocities and pore pressures in the interior of an SB were taken in a flume of the Laboratory of Harbour Works, National Technical University of Athens, involving 1DH regular long and short waves propagating over a SB with steep slopes and extreme porosity under breaking and non-breaking conditions. Furthermore, 2DH laboratory experiments were carried out in a wave basin in the Hydraulic Engineering Laboratory, Department of Civil Engineering, University of Patras. Those tests included both measurements of free surface elevation over a permeable SB with steep slopes and 3D flow velocities inside the SB, under wave attack of regular and irregular (Jonswap) waves, including breaking or not breaking events. The aim of this study is to present and integrated coastal model in order to cover the most common practices in real life applications covering SBs with porosity and steep slopes, relevant wave breaking prediction and description of the hydrodynamic field in the structural interior due to sea waves. Furthermore, an original aspect of this study refers to laboratory comparative experiments over SB for 1D and 2DH wave propagation.	en
heal.advisorName	ΜΕΜΟΣ, ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΜΕΜΟΣ, ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΤΣΟΥΚΑΛΑ, ΒΑΣΙΛΙΚΗ	el
heal.committeeMemberName	ΔΗΜΑΣ, ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΚΑΡΑΜΠΑΣ, ΘΕΟΦΑΝΗΣ	el
heal.committeeMemberName	ΠΡΙΝΟΣ, ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ	el
heal.committeeMemberName	ΜΑΤΣΟΥΚΗΣ, ΠΑΝΑΓΗΣ-ΦΩΚΙΩΝ	el
heal.committeeMemberName	ΠΑΠΑΝΙΚΟΛΑΟΥ, ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ	el
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	309
heal.fullTextAvailability	true