Ανάπτυξη αριθμητικών μεθόδων για τον υπολογισμό της εξέλιξης του πυθμένα παρουσία παράκτιων έργων

Καρούσης, Αντώνιος; Karousis, Antonios

dc.contributor.author	Καρούσης, Αντώνιος	el
dc.contributor.author	Karousis, Antonios	en
dc.date.accessioned	2018-07-16T12:11:45Z
dc.date.available	2018-07-16T12:11:45Z
dc.date.issued	2018-07-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47320
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15256
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Εξισώσεις ρηχών νερών	el
dc.subject	Εξέλιξη πυθμένα	el
dc.subject	Αρχές ελαχιστοποίησης συνάρτησης κόστους	el
dc.subject	Έργα προστασίας ακτής	el
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων όγκων	el
dc.subject	Shallow water equation	en
dc.subject	Bed evolution	el
dc.subject	Finite volume method	el
dc.subject	Minimization principles for a cost function	el
dc.subject	Coast protection structures	el
dc.title	Ανάπτυξη αριθμητικών μεθόδων για τον υπολογισμό της εξέλιξης του πυθμένα παρουσία παράκτιων έργων	el
dc.title	Development of numerical methods for calculating the bed evolution in the presence of coastal structures	en
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Η χώρα μας περιβάλλεται από μεγάλου μήκους ακτές, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως φυσικοί πόροι με οικονομικά και κοινωνικά οφέλη. Ωστόσο τα τελευταία χρόνια η παράκτια ζώνη πιέζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες και παρουσιάζει προβλήματα λόγω της μεταβλητότητας της. Σημαντικότερο από αυτά είναι η διάβρωση των ακτών, η οποία οφείλεται στην απρόβλεπτη δράση των κυματισμών στο μέτωπο της ακτής. Αποτέλεσμα του φαινομένου αυτού είναι η ακτή να παραμορφώνεται διαρκώς και να μειώνεται σε έκταση υπό την επίδραση έντονων κυματισμών μεγάλης διάρκειας. Σε μια προσπάθεια ελέγχου του προβλήματος της διάβρωσης κατασκευάζονται διάφορα έργα προστασίας από τους ακτομηχανικούς. Τα κυριότερα και συνηθέστερα έργα είναι οι έξαλοι και ύφαλοι κυματοθραύστες, οι οποίοι αποτελούν κατασκευές παράλληλα στην ακτή ή υπό γωνία σε αυτή, και οι πρόβολοι, οι οποίοι είναι κάθετοι στην ακτογραμμή. Τα έργα αυτά αλληλεπιδρούν με τους κυματισμούς και μειώνουν βασικά χαρακτηριστικά τους, όπως είναι το ύψος κύματος, η ταχύτητα και η ενέργεια που μεταφέρουν. Με αυτό τον τρόπο, ο μηχανικός επεμβαίνει στους φυσικούς παράκτιους μηχανισμούς μεταφοράς ιζήματος και ελέγχει το μέρος και το μέγεθος της διάβρωσης που θα πραγματοποιηθεί. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας προσομοίωσης των παράκτιων αυτών μηχανισμών μεταφοράς ιζήματος σε μια ιδεατή ακτή μέσα από αριθμητικά προγράμματα, τα οποία είναι γραμμένα FORTRAN. Τα προγράμματα αυτά χρησιμοποιούν αριθμητικές υπολογιστικές μεθόδους, οι οποίες βασίζονται στην ανάλυση και απλοποίηση των εξισώσεων συνέχειας, ποσότητας κίνησης και ενέργειας, και αναπτύχθηκαν από τους καθηγητές Bouharguane A. και Mohammadi B.. Οι εξισώσεις αυτές επιλύονται με την μορφή συστήματος στη παράκτια περιοχή. Ένα από τα προγράμματα αυτά επιλύει τις εξισώσεις ρηχών νερών ή διεθνώς shallow water equations για την περιγραφή του υδροδυναμικού φαινομένου της κίνησης του νερού στην παράκτια ζώνη, ενώ το δεύτερο πρόγραμμα υπολογίζει την εξέλιξη του πυθμένα υπό την δράση των κυματισμών. Η πρωτοτυπία της μεθόδου αυτής είναι ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζεται η μεταβολή του πυθμένα. Ο νέος τρόπος που προτείνεται βασίζεται στις αρχές ελαχιστοποίησης μιας συνάρτησης κόστους, η οποία περιγράφει την συνολική δυναμική ενέργεια του κύματος και την συνολική μεταβολή του πυθμένα. Με αυτό τον τρόπο υπολογίστηκαν τα χαρακτηριστικά των κυμάτων, όπως ύψος, ταχύτητα και ενέργεια, που φτάνουν στην ακτή, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν, στην συνέχεια, στον υπολογισμό της μεταβολής της ακτής. Τέλος, στα προγράμματα αυτά προσομοιάστηκε η εξέλιξη της ακτής παρουσία των προαναφερθέντων έργων προστασίας, τα οποία τοποθετήσαμε στην βυθομετρία της ακτής, και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν μεταξύ τους. 2 Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφέρουμε την προσπάθεια που έγινε να μεταφέρω το πρόγραμμα αυτό σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB. Η προσπάθεια αυτή ολοκληρώθηκε ανεπιτυχώς, καθώς δεν κατάφερα να προσομοιάσω την επίδραση του πυθμένα στην κυματική ροή. Παρόλα αυτά, πραγματοποιήθηκε μια ικανοποιητική μεταγλώττιση και οπτικοποίηση των εξισώσεων των ρηχών νερών.	el
heal.classification	Ακτομηχανική	el
heal.classification	Coastal engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-03-20
heal.abstract	Για τον σχεδιασμό και την κατασκευή έργων προστασίας της ακτής έναντι της διάβρωσης, θεωρείται αναγκαία η κατανόηση και η πρόβλεψη της εξέλιξης της μορφής του πυθμένα σε σχέση με τον χρόνο. Η προληπτική αυτή αντιμετώπιση του προβλήματος της διάβρωσης στηρίζεται στην χρησιμοποίηση διαφορετικών αριθμητικών μοντέλων και θεωριών με τα οποία προσομοιάζουμε την αλληλεπίδραση πυθμένα-κύματος. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται μια αριθμητική μέθοδος για τον υπολογισμό της εξέλιξης του πυθμένα γραμμένη σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN από τους καθηγητές Bouharguane A. και Mohammadi B.. Η μέθοδος αυτή αποτελείται από δυο υποπρογράμματα, τα οποία υπολογίζουν τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά του κύματος και την εξέλιξη του πυθμένα υπό την επίδραση των χαρακτηριστικών αυτών. Το πρώτο υποπρόγραμμα είναι εκείνο που υπολογίζει τις οριζόντιες ταχύτητες u, v των μορίων του κύματος, το βάθος της ελεύθερης επιφάνειας και την ποσότητα κίνησης κατά την διεύθυνση x, y αντίστοιχα. Για τον υπολογισμό αυτό βασίζεται στην επίλυση των εξισώσεων ρηχών νερών ή shallow water equations. Οι εξισώσεις αυτές αποτελούν εφαρμογή των αρχών διατήρησης της μάζας και της ορμής στην κίνηση του νερού στα ρηχά νερά υπό την επίδραση του πυθμένα. Το δεύτερο υποπρόγραμμα είναι εκείνο που υπολογίζει την ανύψωση ή την καθίζηση του πυθμένα και την τελική μορφή που εκείνος θα έχει. Η πρωτοτυπία του υποπρογράμματος αυτού έγκειται στο γεγονός ότι για τον υπολογισμό της εξέλιξης του πυθμένα χρησιμοποιείται μια νέα μέθοδος σε αρχές ελαχιστοποίησης μιας συνάρτησης κόστους. Η συνάρτηση αυτή περιγράφει την συνολική δυναμική ενέργεια του κύματος και την συνολική μεταβολή του πυθμένα. Οι αρχές αυτές βασίζονται στην υπόθεση ότι ο πυθμένας είναι αμμώδης, ευμετάβλητος και προσαρμόζεται στην ροή του νερού. Για την εφαρμογή της αριθμητικής μεθόδου που αναλύσαμε χρησιμοποιήθηκε η βυθομετρία μιας ιδεατής ακτής, η οποία προϋπήρχε στα αρχεία του υπολογιστή σε αρχείο μορφής txt . Στον πυθμένα αυτό προσθέσαμε 4 διαφορετικά έργα προστασίας της ακτής, τα αποτελέσματα των οποίων αναλύσαμε και συγκρίναμε μεταξύ τους τόσο ως προς το μέτρο και την διεύθυνση των υδροδυναμικών ταχυτήτων όσο ως προς την εξέλιξη και την τελική μορφή του πυθμένα. Αναλυτικότερα τα τέσσερα αυτά έργα είναι τα εξής: έξαλος κυματοθραύστης, ύφαλος κυματοθραύστης, έξαλος και πλάγιος προς την ακτή κυματοθραύστης, σύστημα δυο προβόλων. Αφού ορίσαμε την βυθομετρία της ακτής μελέτης και τοποθετήσαμε τα έργα προστασίας της, συνεχίσαμε με τον προσδιορισμό των οριακών συνθηκών της μεθόδου. Όσον αφορά τον πυθμένα, του δώσαμε την ιδιότητα της μερικής απορρόφησης της ενέργειας του κύματος καθώς και την δυνατότητα ανάπτυξης ταχυτήτων στην διεπιφάνεια με το νερό. Στα πλαινά όρια εφαρμόστηκαν μεταβιβαστικές οριακές συνθήκες δευτέρας τάξης, ενώ στην είσοδο της περιοχής μελέτης η κυματική δράση προσομοιάστηκε με συμβολή Ν μονοχρωματικών κυματισμών. Τέλος, στην έξοδο τα κύματα εξέρχονται ελεύθερα από την ακτή μελέτης. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι όλα τα έργα συμβάλουν στην μείωση των ταχυτήτων και του ύψους κύματος καθώς πλησιάζουμε προς την ακτή. Εκεί που παρουσιάζουν όμως διαφορές είναι στην τελική μορφή του πυθμένα, όπου σε μερικά έργα, όπως ο ύφαλος κυματοθραύστης, έχω εντονότερα φαινόμενα διάβρωσης σε αντίθεση με άλλα έργα στα οποία κυριαρχεί η απόθεση ιζήματος. Τα αποτελέσματα αυτά, όμως, πλησιάζουν ικανοποιητικά την θεωρητική εξέλιξη της ακτής παρουσία των έργων προστασίας και αναμένεται να αποτελέσουν έναυσμα για πιο ενδελεχή έρευνα και για την ολοκληρωμένη διαχείριση της παράκτιας ζώνης.	el
heal.abstract	For the design and construction of coastal protection structures against erosion, it is considered necessary to understand and predict the evolution of the shape of the bottom in relation to time. This preventative treatment of the problem of erosion is based on the use of different numerical models and theories with which we simulate the bottom-wave interaction. In the present study a numerical method for calculating the evolution of the bottom written in a FORTRAN programming language by Professors Bouharguane A. and Mohammadi B is considered. This method consists of two subroutines, which calculate the hydrodynamic characteristics of the wave and its evolution under the influence of these characteristics. The first subroutine is the one that calculates the horizontal velocities u, v of the wavelengths, the depth of the free surface and the amount of motion in the x, y direction respectively. This calculation is based on the solution of shallow water equations. These equations are an application of the principles of conservation of mass and momentum in the movement of water in shallow waters under the influence of the bottom. The second subroutine is the one that calculates the elevation or subsidence of the bottom and the final shape it will have. The originality of this subroutine lies in the fact that a new method is used to calculate the bottom evolution in principles of minimizing a cost function. This function describes the total dynamic energy of the wave and the overall change in the bottom. These principles are based on the assumption that the bottom is sandy, volatile and adaptable to the flow of water. For the application of the numerical method we analyzed, the steepness of an ideal coast, which existed in the computer in a txt format file, was used. At the bottom of this we added 4 different coastal protection structures, the results of which we analyzed and compared with each other so as to measure the direction of the hydrodynamic speed as on the progress and the final shape of the bottom. More specifically, these four structures are the following: an extinguishing breakwater, a reef breakwater, a lateral-extinguishing breakwater, a system of two groins. After we have set the steepness of the coast study and placed our protection structures, we continued with the determination of the boundary conditions of the method. As far as the bottom is concerned, it has the ability of partial absorption of wave energy as well as the ability to develop velocities at the interface with water (slip boundary condition). Second order transmissive conditions were applied to the boundary cells, while at the entrance of the study area the wave effect was simulated by N-monochromatic waves. Finally, at the exit the waves leave freely from the study coast From the analysis of the results, we reach to the conclusion that all structures contribute to reducing the speeds and the wave height as we approach the coast. But where there are differences, it is in the final form of the bottom, where in some structures, such as the breakwater reef I have more pronounced erosion phenomena, in contrast to other structures dominated by sediment deposition. These results, however, are well suited to the theoretical evolution of coastal protection and are expected to trigger more in-depth research and integrated coastal zone management.	en
heal.advisorName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Παναγούλια, Διονυσία	el
heal.committeeMemberName	Στάμου, Αναστάσιος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος. Εργαστήριο Λιμενικών Έργων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.
heal.fullTextAvailability	true