Πεδίο ταχυτήτων λόγω κυματισμών στο εσωτερικό ύφαλης κατασκευής

Abstract

Το υδροδυναμικό πεδίο στο εσωτερικό μιας ύφαλης κατασκευής αποτελεί πεδίο έρευνας σε εξέλιξη και σε αυτό συνηγορεί ο περιορισμένος αριθμός σχετικών άρθρων στη διεθνή βιβλιογραφία. Ο έως τώρα σχεδιασμός των ύφαλων διαπερατών κατασκευών αφορούσε από μηχανικής απόψεως αποκλειστικά την προστασία της ακτής. Στη σύγχρονη εποχή όμως, όπου η ανάγκη για περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση καθίσταται ολοένα και πιο επιτακτική, ο ρόλος του μηχανικού στο σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών γίνεται πιο σύνθετος. Ζητούμενο των τελευταίων ετών αποτελεί ο σχεδιασμός ύφαλων κατασκευών που θα εξυπηρετούν διπλό σκοπό: α) την προστασία των ακτών και β) την ελάχιστη δυνατή υποβάθμιση του θαλάσσιου περιβάλλοντος αν όχι τον εμπλουτισμό του. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό η σημασία των ύφαλων διαπερατών κατασκευών αυξάνεται σταθερά λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τους έναντι των έξαλων κατασκευών. Μια βασική παράμετρος για να αξιολογηθεί κατά πόσο μπορεί να αποτελέσουν τοπικό οικότοπο είναι η ταχύτητα των ρευστών σωματιδίων του νερού στο εσωτερικό της κατασκευής. Στην παρούσα έρευνα αναπτύσσεται ένα απλό μοντέλο για την πρόβλεψη της κατακόρυφης κατανομής των οριζοντίων τροχιακών ταχυτήτων στο εσωτερικό διαπερατής ύφαλης κατασκευής. Το προφίλ ταχύτητας που προκύπτει βασίζεται σε ένα εκθετικό προφίλ από τη μη γραμμική θεωρία κυματισμών στο οποίο στη συνέχεια εισάγεται η μέση, ολοκληρωμένη στο βάθος οριζόντια ταχύτητα η οποία δίνεται από ένα τροποποιημένο μοντέλο Boussinesq λαμβάνοντας υπόψη και το πορώδες της κατασκευής. Για να επαληθευτεί το αριθμητικό μοντέλο έγιναν πειράματα στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και έγινε σύγκριση ακόμα με το υπολογιστικό πρόγραμμα FLOW-3D. Τα πειράματα διεξήχθησαν στη διώρυγα δοκιμών «Δημήτρης Κοιλάκος» με 27 m μήκος, 0.90 m πλάτος και 1.53 m ύψος εφοδιασμένη με κυματογεννήτρια που παρήγαγε απλούς μονοχρωματικούς κυματισμούς. Το ύψος του κυματοθραύστη ήταν 0.4 m και το πλάτος στέψης 1.0 m. H κατασκευή διαμορφώθηκε από φυσικούς ογκολίθους με μέση διάμετρο d50=0.08 m και κλίση πρανών 1:2. Tα πειραματικά δεδομένα συλλέχτηκαν σε 3 διατομές κατά μήκος του κυματοθραύστη και με κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των σημείων λήψεως των μετρήσεων ίση με 5 cm. Επίσης για την βαθμονόμηση του εκθετικού προφίλ των μέγιστων οριζοντίων τροχιακών ταχυτήτων του νερού έγιναν μετρήσεις τόσο ακριβώς στα ανάντη όσο και κατάντη της κατασκευής εκτός του πορώδους μέσου, με κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των σημείων λήψεως των μετρήσεων ίση με 10 cm. Χρησιμοποιήθηκαν τρία κυματικά σενάρια και δύο βάθη νερού h=50 cm και h=60 cm. Το πορώδες της κατασκευής, δηλαδή ο λόγος του όγκου των κενών προς τον συνολικό όγκο, ήταν φ=0,52. Συμπερασματικά, ένα κυματικό μοντέλο Boussinesq σε συνδυασμό με ένα προφίλ ταχύτητας επέτρεψε την ικανοποιητική εκτίμηση των οριζοντίων μέγιστων τροχιακών ταχυτήτων του νερού λόγω κυματισμού, στο εσωτερικό ύφαλης κατασκευής. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που βασίζονται σε ένα μοντέλο Boussinesq ελαφρά μη γραμμικό με βελτιωμένα χαρακτηριστικά διασποράς των Avgeris and Karambas (2002), σε συνδυασμό με ένα εκθετικό προφίλ από τη μη γραμμική θεωρία που προτείνεται από τον Dingemans (1997) για μη θραυόμενους κυματισμούς, συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα και η σύγκριση έδειξε ότι αυτή η απλή μέθοδος είναι σε θέση να προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια την οριζόντια μέγιστη τροχιακή ταχύτητα στο εσωτερικό του πορώδους μέσου. Η πρόβλεψη από το υπολογιστικό πρόγραμμα FLOW-3D των οριζόντιων τροχιακών ταχυτήτων του νερού στην περιοχή γύρω από την ύφαλη κατασκευή, δηλαδή στην ανάντη και την κατάντη διατομή, κρίνεται επίσης ικανοποιητική. Ωστόσο τα αποτελέσματα του προγράμματος FLOW-3D για το εσωτερικό της κατασκευής δείχνουν την αδυναμία του μοντέλου αυτού να εκτιμήσει την κατανομή των μέγιστων τροχιακών ταχυτήτων των σωματιδίων του νερού στο εσωτερικό της κατασκευής και υστερεί σημαντικά έναντι του μοντέλου που παράχθηκε σε αυτήν την εργασία, τα αποτελέσματα του οποίου κρίνονται ως αρκετά ικανοποιητικά. Επιπλέον, παρατηρείται αύξηση των τροχιακών ταχυτήτων των ρευστών σωματιδίων στην κατάντη διατομή εντός του πορώδους μέσου σε σχέση με την ανάντη διατομή κάτι που αποδίδεται στην ανάπτυξη στροβίλων στο κατάντη μέρος της κατασκευής.

The hydrodynamic field inside a porous submerged breakwater is a field of relatively recent research and this is verified by the limited number of relevant publications. In the past the purpose of detached breakwaters was to protect the coastline from erosion. In modern times however, where the need for environmental awareness is becoming increasingly urgent, the role of engineering in the design of such structures becomes even more complex. A challenge of recent years is to design submerged breakwaters which will serve a double purpose: a) coastal protection and b) the minimal degradation of the marine environment if not its enrichment. It is easy to understand that the importance of permeable submerged structures is steadily increasing due to environmental merits over emerged breakwaters. A key parameter to assess the shelter they provide to the local habitats is the water particle velocity in the interior of the structure. In the present work a simple model for predicting the vertical distribution of the horizontal orbital velocities inside submerged porous structures is presented. A velocity profile is formulated based on an exponential profile of the nonlinear wave theory. This velocity distribution is then fitted to the numerically predicted depth-integrated velocity given by a Boussinesq model assuming structures of uniform porosity. For the sake of comparison, experimental measurements of horizontal velocities were taken in a flume of the Laboratory of Harbor Works, National Technical University of Athens. The proposed model was also compared with the results of commercial program FLOW-3D. The experiments were conducted in the Laboratory of Harbor Works of the National Technical University of Athens in a 27 m long, 0.90 m wide and 1.53 m high glass-walled wave flume equipped with a flap-type wave-maker, generating regular waves. The height of the structure was 0.4 m and the crest width 1.0 m. The structure was made of natural stones with d50=0.08 m sloping 1:2 at both sides. The experimental data were collected on three sections at 16 points with 5 cm intervals along the vertical and on two sections outside the structure at points with 10 cm intervals along the vertical. Three wave scenarios and two water depths were used. Porosity of the structure, i.e. the ratio of voids to the total volume, was equal to 0.52. In conclusion, a Boussinesq wave model (Avgeris & Karambas 2002) was combined with an assumed velocity profile allowing thus the estimation of velocities inside submerged porous structures. The velocity profile follows an exponential curve and is valid for nonlinear and non breaking waves (Dingemans, 1997). Numerical results were compared with the experimental data; the comparisons showed that this simple model is capable of predicting with reasonable accuracy the horizontal velocities inside submerged porous breakwaters. The prediction through the FLOW-3D program of the maximum horizontal velocities in the region outside the structure is satisfactory. However, the results of that program inside the porous medium shows its weakness to assess the distribution of maximum horizontal velocities inside submerged breakwaters. Moreover, an increase of the orbital velocities in the downstream section inside the structure was observed, that was attributed to the development of turbulence in the vicinity of the downstream slope of the rubble mound. This work presents an investigation on how to assess the distribution of the maximum horizontal orbital velocities inside submerged porous breakwaters and can be proven quite useful for further environmental studies.