Διάρκεια: 2012-2015

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Αθανάσιος Α. Δήμας

Φορέας Χρηματοδότησης: ΓΓΕΤ - Δράση ΑΡΙΣΤΕΙΑ Ι - 1718

Ερευνητικές περιοχές: Παράκτια Υδραυλική, Τυρβώδεις Ροές

Υπηρεσίες: Αριθμητικοί Υπολογισμοί - Προσομοιώσεις, Εργαστηριακές Μετρήσεις

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΡΓΟΥ
Η διάβρωση ακτών είναι σοβαρό πρόβλημα σε Ελλάδα και Ευρώπη και αναμένεται να ενταθεί στο άμεσο μέλλον λόγω αύξησης των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στην παράκτια ζώνη και της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής. Επί του παρόντος, η διερεύνηση των παράκτιων διεργασιών στη ζώνη απόσβεσης κυμάτων, οι οποίες είναι το κύριο αίτιο διάβρωσης ακτών, πραγματοποιείται είτε μέσω αριθμητικής προσομοίωσης είτε με χρήση φυσικών ομοιωμάτων σε αριθμούς Reynolds σημαντικά μικρότερος από αυτούς στο φυσικό περιβάλλον. Σκοπός του παρόντος ερευνητικού έργου ήταν η επίτευξη αριθμητικής προσομοίωσης τρισδιάστατων παράκτιων διεργασιών σε αριθμούς Reynolds δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερους μέσω χρήσης παράλληλων υπολογιστικών αλγορίθμων υψηλής επίδοσης σε τελευταίας γενιάς petascle υπολογιστές. Η μεθοδολογία βασίζεται σε αλγόριθμο επίλυσης των εξισώσεων Navier-Stokes με χρήση της μεθόδου εμβαπτισμένου ορίου και προσαρμογής πύκνωσης του αριθμητικού πλέγματος. Οι πλήρως μη-γραμμικές οριακές συνθήκες ελεύθερης επιφάνειας εισάγονται μέσω προσέγγισης διφασικής ροής και τη μέθοδο level set. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται σύμφωνα με τις μεθόδους μεγάλων δινών και μεγάλων κυμάτων, ενώ πραγματοποιήθηκαν και εργαστηριακές μετρήσεις σε δεξαμενή κυμάτων με χρήση της μεθόδου PIV (particle image velocimetry) διάδοσης και θραύσης κυμάτων για επαλήθευση των αριθμητικών μοντέλων. Η ερευνητική ομάδα του έργου ανήκε στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, και επικουρήθηκε από τον καθηγητή κ. Μπαλαρά του Πανεπιστημίου George Washington των ΗΠΑ. Η συνεργασία αυτή έδωσε προστιθέμενη αξία στην εκτέλεση του έργου από την ομάδα στην Ελλάδα, με εμπειρία στις παράκτιες διεργασίες και τις αριθμητικές προσομοιώσεις, και υποστήριξη από την ομάδα στις ΗΠΑ, με εμπειρία σε υπολογιστικές τεχνικές υψηλών επιδόσεων και τύρβης. Το έργο αναλύεται σε τέσσερεις ενότητες εργασίας.

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1: Μέθοδος βυθισμένου ορίου για την αριθμητική προσομοίωση τυρβώδους ροής με ελεύθερη επιφάνεια
Στην παρούσα ενότητα επιχειρείται η προσομοίωση της διάδοσης θαλάσσιων κυμάτων υπεράνω ακτής σταθερής κλίσης αλλά και βυθισμένου κυματοθραύστη, καθώς και παλλόμενων ροών  υπεράνω κυματοθραύστη με πορώδες ή γύρω από αγωγούς. Η προσομοίωση τέτοιων ροών καθίσταται αρκετά επίπονη με τις συμβατικές μεθόδους χωρικής διακριτοποίησης, αφενός λόγω της κίνησης της ελεύθερης επιφάνειας στις περιπτώσεις που η ροή θεωρείται διφασική και αφετέρου λόγω της δυσκολίας αντιμετώπισης πολύπλοκων γεωμετριών. Με τη μέθοδο του εμβαπτισμένου ορίου, καθίσταται πολύ εύκολη η αντιμετώπιση τέτοιων ροών, οι οποίες θεωρούνται σημαντικές για διάφορους λόγους. Πιο συγκεκριμένα, η διάδοση και θραύση του κύματος αποτελεί μια φυσική και σημαντική διεργασία στη ζώνη απόσβεσης. Η ζώνη απόσβεσης είναι μια περιοχή με μεγάλη πολυπλοκότητα καθώς χαρακτηρίζεται από δομές όπως στροβίλους, κύματα χαμηλών συχνοτήτων και ρεύματα (Battjes, 1988). Επιπρόσθετα, οι ύφαλοι κυματοθραύστες στην παράκτια ζώνη χρησιμοποιούνται ευρέως για την προστασία της ακτογραμμής και των λιμένων και για την προστασία της ακτής έναντι διάβρωσης. Αυτές οι κατασκευές είναι πολύ δημοφιλείς εξαιτίας της ικανότητας τους να μειώνουν την κυματική ενέργεια και να εμπλουτίζουν την ακτογραμμή με ίζημα, έχοντας μια ήπια αισθητική επίπτωση στο φυσικό περιβάλλον. Τέλος οι θαλάσσιοι αγωγοί χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μηχανικής (μεταφορά πετρελαίου και φυσικού αερίου, θαλάσσιες εκβολές, κλπ). Ο σχεδιασμός τους εξαρτάται από τις δυνάμεις που αναπτύσσονται εξαιτίας των κυματισμών που προκαλούνται από την παλλόμενη ροή και την αλληλεπίδραση της με τον πυθμένα. Δείτε εδώ τα βασικά αποτελέσματα της ΕΕ1.

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 2: Παραλληλοποίηση των αριθμητικών μοντέλων της Ενότητας Εργασίας 1
Τα θαλάσσια κύματα προκαλούν παλλόμενη ροή στην παράκτια ζώνη στην περιοχή πλησίον του πυθμένα. Η ροή αυτή προκαλεί μεταφορά του ιζήματος του πυθμένα και συμβάλλει στην τροποποίηση της μορφολογίας του πυθμένα, δημιουργώντας συνεκτικές δομές γενικά γνωστές ως πτυχώσεις ή αμμοκυμάτια (ripples). Η παρουσία των πτυχώσεων σε παλλόμενη ροή είναι σημαντική λόγω της σημαντικής επίδρασης που έχουν στην τραχύτητα του πυθμένα. Η τραχύτητα του πυθμένα επηρεάζει άμεσα την υδροδυναμική του οριακού στρώματος κοντά στον πυθμένα, το οποίο ελέγχει τη μεταφορά ιζήματος σε κλίνη και σε αιώρηση. Ως εκ τούτου, η ποσοτική πρόβλεψη της παροχής ιζήματος είναι ιδιαίτερα σημαντική στη διερεύνηση της μεταβολής της μορφολογίας παράκτιου πυθμένα και συνεπώς της ακτής. Στην παρούσα εργασία, μελετάται αριθμητικά η ταυτόχρονη μεταφορά ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση μέσω παλλόμενης ροής υπεράνω πυθμένα με πτυχώσεις. Επίσης, σκοπός της συγκεκριμένης ενότητας εργασίας ήταν η παραλληλοποίηση των αριθμητικών μοντέλων. Το υπολογιστικό κόστος τέτοιων προσομοιώσεων είναι ιδιαίτερα σημαντικό λόγω του μεγάλου πλήθους των υπολογιστικών κόμβων. Με την παραλληλοποίηση ενός σειριακού αριθμητικού κώδικα επιτυγχάνεται η ταυτόχρονη εκτέλεση τμημάτων του προγράμματος από πολλούς επεξεργαστές, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση του υπολογιστικού χρόνου των προσομοιώσεων. Δείτε εδώ τα βασικά αποτελέσματα της ΕΕ 2.

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3. Εφαρμογή των αριθμητικών μοντέλων σε λοξή ως προς την ακτογραμμή διάδοση και θραύση κυμάτων
Στην παρούσα ενότητα προσομοιώθηκε η διάδοση και θραύση κυμάτων για τρεις περιπτώσεις διαμόρφωσης του πυθμένα της ακτής και δύο περιπτώσεις διεύθυνσης των επερχομένων κυμάτων. Συγκεκριμένα εξετάσθηκαν οι περιπτώσεις σταθερής κλίσης πυθμένα 1/35, σταθερής κλίσης πυθμένα 1/15 και μορφολογίας πυθμένα κατά Larson (1988) με κλίση 1/15 στα βαθιά και 1/12 στην ακτογραμμή. Επίσης εξετάσθηκαν οι περιπτώσεις κάθετης πρόσπτωσης των κυμάτων στην ακτογραμμή και γωνίας 30ο μεταξύ της διεύθυνσης των κυμάτων και της καθέτου στην ακτογραμμή. Η επιτακτικότητα αντιμετώπισης τέτοιων ροών προκύπτει από το γεγονός ότι οι σημαντικότερες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην παράκτια ζώνη είναι η θραύση των κυμάτων και η δημιουργία κυματογενών ρευμάτων εντός της ζώνης απόσβεσης. Οι δύο βασικοί τύποι ρευμάτων είναι το παράλληλο στην ακτογραμμή (longshore current), το οποίο εμφανίζεται όταν η κατεύθυνση διάδοσης του θραυόμενου κύματος είναι λοξή ως προς την ακτογραμμή, και το εγκάρσιο ως προς την ακτογραμμή, το οποίο είναι γνωστό ως υποβρύχιο κυματογενές ρεύμα (undertow current). Δείτε εδώ τα βασικά αποτελέσματα της ΕΕ 3.

ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 4. Εργαστηριακά πειράματα σχετικά με λοξή διάδοση κυμάτων και θραύση
Η ροή που αναπτύσσεται στην εσωτερική παράκτια ζώνη εξαιτίας των μηχανισμών της διάδοσης και της θραύσης κυμάτων, αποτέλεσε και εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο μελέτης πληθώρας ερευνητικών εργασιών, καθώς επιδρά σημαντικά τόσο στην ευστάθεια των λιμενικών - παράκτιων έργων, όσο και στην παράλληλη και εγκάρσια στην ακτογραμμή μεταφορά ιζήματος. Στην παρούσα ενότητα πραγματοποιήθηκε μια σειρά από πειραματικές μετρήσεις της ροής αυτής, υπεράνω πυθμένων διαφορετικής κλίσης και τραχύτητας, και πιο συγκεκριμένα υπεράνω ενός τραχέως πυθμένα απότομης κλίσης 1/3 και ενός λείου πυθμένα ήπιας κλίσης 1/15. Τα αποτελέσματα μας περιλαμβάνουν λεπτομερείς μετρήσεις του πεδίου της ταχύτητας, καθώς και χρονοσειρές της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας. Οι μετρήσεις αξιοποιήθηκαν περαιτέρω για την εξαγωγή μέσων, ως προς την περίοδο και την φάση του διαδιδόμενου κυματισμού, τιμών των στατιστικών ποσοτήτων της ροής, καθώς και για την εξαγωγή συμπερασμάτων για την τύρβη. Δείτε εδώ τα βασικά αποτελέσματα της ΕΕ 4.

ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ

• Αθανάσιος Α. Δήμας, Καθηγητής
• Γεράσιμος Κολοκυθάς, Μεταδιδάκτωρ
• Κωνσταντίνα Γαλάνη, Υποψήφια Διδάκτωρ
• Θεοφανώ Κουτρουβέλη, Υποψήφια Διδάκτωρ
• Γεώργιος Λευθεριώτης, Υποψήφιος Διδάκτωρ
• Ευστράτιος Φονιάς,Υποψήφιος Διδάκτωρ

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

1. Galani, K.A., Dimou, G.D., Karageorgopoulos, E.G. and Dimas, A.A., 2013. PIV Measurements of Turbulent Flow Induced by Waves Above a Rock-Armored Slope. Proc. Coastal Dynamics 2013, Arcachon, France.
2. Γαλάνη, Κ.Α., Δήμου, Ι.Δ., Καραγεωργόπουλος, Ε.Γ. και Δήμας, Α.Α., 2013. Μετρήσεις Τυρβώδους Ροής Υπεράνω Πρανούς Ογκολίθων Εργαστηριακού Ομοιώματος Κυματοθραύστη με τη Μέθοδο Ταχυμετρίας μέσω Απεικόνισης Σωματιδίων (PIV). Πρακτικά Έκτο Πανελλήνιο Συνέδριο Λιμενικών Έργων, 23-32, Αθήνα.
3. Φονιάς, Ε.Ν. και Δήμας Α.Α., 2013. Αριθμητική Προσομοίωση Παλλόμενης Ροής Γύρω από Υποβρύχιο Αγωγό Κοντά σε Πυθμένα με τη Μέθοδο του Εμβαπτισμένου Ορίου. Πρακτικά Έκτο Πανελλήνιο Συνέδριο Λιμενικών Έργων, 43-52, Αθήνα.
4. Κουτρουβέλη, Θ.Ι. και Δήμας Α.Α., 2013. Αριθμητική Προσομοίωση Ροών με Ελεύθερη Επιφάνεια κατά τη Διάδοση Κυμάτων μέσω της Μεθόδου Εμβαπτισμένου Ορίου. Πρακτικά Έκτο Πανελλήνιο Συνέδριο Λιμενικών Έργων, 33-42, Αθήνα.
5. Fonias, E.N., and Dimas, A.A., 2014. IMMERSED BOUNDARY METHOD FOR SIMULATION OF OSCILLATORY FLOW PAST A SUBMERGED CYLINDER CLOSE TO A HORIZONTAL BED. Proc. 2014 International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE), OMAE2014-23986, June 8-13, San Francisco, California.
6. Koutrouveli, Th.I., and Dimas, A.A., 2014. NUMERICAL SIMULATION OF WAVE PROPAGATION OVER SUBMERGED COMPOSITE BREAKWATERS USING THE IMMERSED BOUNDARY METHOD. Proc. 2014 International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE), OMAE2014-24055, June 8-13, San Francisco, California.
7. Galani, K.A., Dimou, G.D., and Dimas, A.A., 2014. EXPERIMENTAL STUDY OF TURBULENT FLOW INDUCED BY REGULAR AND IRREGULAR WAVES ABOVE A ROCK-ARMORED SLOPE. Proc. 2014 International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE), OMAE2014-23993, June 8-13, San Francisco, California.
8. Leftheriotis, G.A., and Dimas, A.A., 2014. COUPLED SIMULATION OF OSCILLATORY FLOW, SEDIMENT TRANSPORT AND MORPHOLOGY EVOLUTION OF RIPPLES BASED ON THE IMMERSED BOUNDARY METHOD. Proc. 2014 International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE), OMAE2014-24006, June 8-13, San Francisco, California.
9. Leftheriotis, G.A. and Dimas, A.A., 2014. Coupled Numerical Simulation of Flow, Sediment Transport and Morphology Evolution of Dunes based on the Immersed Boundary Method. Proc. River Flow 2014, Lausanne, Switzerland.
10. Kolokythas, G.A., Leftheriotis, G.A. and Dimas A.A., 2014. Numerical Simulation of Coastal Flow and Sediment Transport Over Rippled Beds. ERCOFTAC Bulletin 100, 1-9.