Διάδοση κυμάτων σε ρηχά νερά και αλληλεπίδραση ρευστού - θαλάσσιου πυθμένα: πλεονεκτήματα και περιορισμοί υπολογιστικών προσομοιώσεων με Μοντέλα Μέσου Βάθους

Αφεντούλης, Βασίλειος; Afentoulis, Vasileios

dc.contributor.author	Αφεντούλης, Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Afentoulis, Vasileios	en
dc.date.accessioned	2023-02-16T08:04:28Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57145
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24843
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Θαλάσσια υδροδυναμική	el
dc.subject	Παράκτια έργα	el
dc.subject	Παράκτιες κατασκευές	el
dc.subject	Αριθμητική μοντελοποίηση	el
dc.subject	Διάδοση κυμάτων	el
dc.subject	Ακτομηχανική	el
dc.subject	Coastal morphodynamics	en
dc.subject	Coastal structures	en
dc.subject	Hydrodynamics	en
dc.subject	Numerical modeling,	en
dc.subject	Sediment transport	en
dc.title	Διάδοση κυμάτων σε ρηχά νερά και αλληλεπίδραση ρευστού - θαλάσσιου πυθμένα: πλεονεκτήματα και περιορισμοί υπολογιστικών προσομοιώσεων με Μοντέλα Μέσου Βάθους	el
dc.title	Propagation of water waves in shallow water with emphasis on fluid-seabed interactions: advantages and imitations of 2DH Numerical Techniques
heal.type	doctoralThesis
heal.generalDescription	Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην μελέτη της διάδοσης των κυμάτων σε ρηχά και ενδιάμεσα βάθη με στόχο την ακριβή πρόβλεψη των αλληλεπιδράσεων ρευστού – θαλάσσιου αμμώδους πυθμένα, υπό ασταθείς υδροδυναμικές ροές, καθώς και στα πλεονεκτήματα και περιορισμούς υπολογιστικών προσομοιώσεων που βασίζονται στην χρήση μοντέλων μέσου βάθους. Οι βασικοί στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορούν στην εφαρμογή των υφιστάμενων αριθμητικών εργαλείων ακτομηχανικής, προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση, η εφαρμογή και οι ιδιότητές τους, και στην ανάπτυξη νέων αριθμητικών μοντέλων για την προσομοίωση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας και μηχανισμών μεταφοράς ιζημάτων. Παράλληλα η παρούσα διατριβή στοχεύει στην επαλήθευση της αποτελεσματικότητας των νέων προτεινόμενων μοντέλων, μέσω της σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα και μετρήσεις πεδίου, για την επίτευξη προβλέψεων βαθυμετρικής εξέλιξης με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Πυρήνα του έργου αποτελεί η αριθμητική διερεύνηση των υδροδυναμικών επιδράσεων στους μηχανισμούς διάβρωσης και απόθεσης μη συνεκτικών ιζημάτων, καθώς και η επίδραση αυτών στην εξέλιξη της ακτογραμμής, λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία θαλάσσιων κατασκευών, όπως ένα παράλληλο σύστημα έξαλων και ύφαλων κυματοθραυστών, ή προβόλων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις υδρο-μορφοδυναμικές διεργασίες στην εσωτερική ζώνη θραύσης και ζώνη διαβροχής (surf and swash zone), όπου δρουν πολύπλοκοι μηχανισμοί καθορισμού κίνησης ιζημάτων, ενώ οι αριθμητικές προβλέψεις των αλληλεπιδράσεων κύματος-ρεύματος και οι μορφολογικές αποκρίσεις, με ή χωρίς την παρουσία παράκτιων δομών, εξακολουθούν να συνδέονται μέχρι και σήμερα με σημαντική αβεβαιότητα που σχετίζεται με την εξαιρετικά μη γραμμική φύση αυτών των φυσικών διεργασιών. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν υφιστάμενα προηγμένα αριθμητικά μοντέλα για την πρόβλεψη της μορφολογίας του θαλάσσιου πυθμένα σε περιοχές μελέτης, όπου παρατηρούνται υδρο-μορφοδυναμικά φαινόμενα υψηλής έντασης, με στόχο τη λεπτομερή μελέτη των πλεονεκτημάτων αλλά και περιορισμών των αριθμητικών αυτών εργαλείων. Παράλληλα, τα νέα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν από τον συγγραφέα της διατριβής, στοχεύουν στην προσομοίωση υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών μοτίβων και στην πρόβλεψη των αλληλεπιδράσεων έντονων μη γραμμικών φαινομένων διαφορετικής χρονικής κλίμακας, κατά μήκος της παράκτιας ζώνη. Για την διερεύνηση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών κοντά στην ακτή, ακολουθήθηκαν δύο διαφορετικές αριθμητικές προσεγγίσεις. Η πρώτη προσέγγιση βασίστηκε στην χρησιμοποίηση μη γραμμικών εξισώσεων ρηχών νερών (non-linear shallow water equations - NSWE). Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της αριθμητικής προσέγγισης είναι ότι τα γεγονότα θραύσης μπορούν να μοντελοποιηθούν μέσω του αναπτύγματος της ελεύθερης επιφάνειας και της ασυνέχειας ρεύματος. Στο πλαίσιο αυτής της προσέγγισης, προγραμματίστηκε και εφαρμόστηκε ένας αριθμητικός κυματιστήρας (wavemaker), για την διάδοση σύνθετων πολυκατευθυντικών κυματισμών. Ο τρόπος κίνησης του ιζήματος αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας αριθμητικές τεχνικές που λαμβάνουν υπόψη την μη γραμμική επίδραση των κυμάτων στην υδροδυναμική κυκλοφορία και κατ’ επέκταση στον μηχανισμό στερεομεταφοράς. Για τις ανάγκες της προσομοίωσης αυτών των μηχανισμών μορφολογίας αναπτύχθηκε ένα νέο αριθμητικό μοντέλο στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Η δεύτερη αριθμητική προσέγγιση που ακολουθήθηκε από τον συγγραφέα της παρούσας διατριβής έγκειται στην χρησιμοποίηση ενός πλήρους μη γραμμικού κυματικού και υδροδυναμικού μοντέλου Boussinesq, για τις περιοχές μελέτης που εκτείνονται από βαθιά έως ρηχά ύδατα, ώστε να καταστεί δυνατή η ακριβής προσομοίωση φαινομένων διασποράς ακανόνιστων κυματισμών σε σύνθετες βαθυμετρίες. Πιο συγκεκριμένα, το μη γραμμικό μοντέλο τύπου Boussinesq, FUNWAVE- TVD, εφαρμόστηκε με στόχο την προσομοίωση της διάδοσης κύματος και της υδροδυναμικής κυκλοφορίας σε μεταβατικές παράκτιες ζώνες και συσχετίστηκε με ένα νέο ημι-τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς ιζήματος και μορφολογίας το οποίο αναπτύχθηκε για την επίλυση της μη γραμμικής επίδρασης των κυμάτων στην μεταφορά ιζήματος. Επιπλέον, εφαρμόστηκε μια τρισδιάστατη προσέγγιση για την εκτίμηση της μεταφοράς ιζήματος με αιωρούμενο φορτίο προκειμένου να διερευνηθεί κατακόρυφη δομή της συγκέντρωσης ιζήματος., Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην διερεύνηση της δυναμικής των ιζημάτων στη ζώνη διαβροχής - swash, καθώς ο μηχανισμός αυτός παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για τα έργα μηχανικού στην παράκτια ζώνη. Η δυναμική της ιζηματογενούς μεταφοράς στη ζώνη διαβροχής καθορίζει την θέση της ακτογραμμής, και επομένως η ακριβής μελέτη των φυσικών διεργασιών σε αυτή την περιοχή συμβάλλει στην αξιολόγηση της απόδοσης των παράκτιων έργων προστασίας όσον αφορά στην ικανότητά τους να προστατέψουν την ακτή ή ακόμα και να επεκτείνουν το πλάτος αυτής, προς τη θαλάσσια ζώνη. Τα αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελούν σημαντικό και χρήσιμο υπόβαθρο για μηχανικούς και επιστήμονες που επιθυμούν να αποκτήσουν ακριβείς προβλέψεις εξέλιξης αμμώδη πυθμένα σε πολύπλοκες βαθυμετρίες με ή χωρίς την παρουσία ενός μεγάλου εύρους τύπων έργων παράκτιας προστασίας, σε πειραματικό και σε πραγματικό πεδίο.	el
heal.classification	Ακτομηχανική	el
heal.classification	Coastal engineering	en
heal.dateAvailable	2024-02-15T22:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-11-28
heal.abstract	This study seeks to assist in better understanding of non-cohesive sediments movement under wave-current actions. The core aim of the present dissertation is to develop novel, advanced 2DH numerical modelling techniques, and evaluate the advantages limitations of the existing ones, with the purpose of precisely simulating morphodynamic mechanisms over a variety of complex and irregular bathymetries, considering wave unsteady phenomena and several small-scale physical processes in the inner surf and swash zone. In addition, the advanced compound models, which were tailored within the context of the present research, served to assess the hydrodynamic and morphodynamic effects of a number of coastal defence types, such as submerged and emerged offshore-detached breakwaters, groynes and jetties. To analyse general sediment phenomena in erosion-dominated and high-energy coasts, numerical assessments, based on available existing devices, were carried out in selected case studies in Greece. Furthermore, laboratory experimental data analysis and advanced coupled models were used to study the incipient motion of fine-sand and morphological evolution from dissipative to intermediate and reflective beach state. Finally, inspired by the capacities and limitations of the existing numerical devices, the development of a novel and robust numerical model was achieved in purpose of practical applications. In particular, a process-based newly developed sediment transport model, with a quasi-3D approach for the assessment of suspended sediment transport, was utilized in tandem with a fully non-linear Boussinesq model to evaluate wave-current-sediment transport interactions in wave-dominated conditions, with and without the presence of coastal defences. In this context, novel 3D and 2D laboratory experimental investigations were exploited to corroborate the numerical predictions. The model validation against experimental measurements revealed that the main scope of the thesis was fulfilled satisfactorily. In summary, this work unveils several fundamental aspects of fine sediment motion under the combined and unsteady action of waves and currents. It is believed that this research will help to further enhance our understanding of how 2DH modelling techniques can be applied in an extended range of coastal engineering problems, while it can be a valuable asset for engineers and scientists desiring to obtain accurate bed level evolution predictions.	en
heal.advisorName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.advisorName	Tsoukala, Vasiliki	en
heal.committeeMemberName	Belibassakis, Kostas	en
heal.committeeMemberName	Mohammadi, Bijan	en
heal.committeeMemberName	Stamou, Anastasios	en
heal.committeeMemberName	Karambas, Theofanis	en
heal.committeeMemberName	Samaras, Achilleas	en
heal.committeeMemberName	Benoit, Michel	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος. Εργαστήριο Λιμενικών Έργων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	267 σ.
heal.fullTextAvailability	false