ΤΟ Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΟ ΠΕ ΙΟ ΣΕ ΠΟΡΩ Η ΥΦΑΛΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Transcript

1 ΤΟ Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΟ ΠΕ ΙΟ ΣΕ ΠΟΡΩ Η ΥΦΑΛΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ Α. Καψάλης, ιπλ. Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Μ Ε ΕΜΠ. Κ. Μέµος, Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εργαστήριο Λιµενικών Έργων, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ηρώων Πολυτεχνείου 5, Ζωγράφου. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αντικείµενο της παρούσης εργασίας αναφέρεται στη διερεύνηση του υδροδυναµικού πεδίου στο εσωτερικό διαπερατών ύφαλων κυµατοθραυστών. Η έρευνα πραγµατοποιήθηκε µέσω προσοµοιωµάτων, τα οποία επιλύθηκαν από εµπορικό υπολογιστικό πρόγραµµα CFD µέσω της µεθόδου των πεπερασµένων διαφορών. Αρχικά, το εν λόγω πρόγραµµα (FLOW- 3D) εφαρµόζεται σε πειραµατικά αποτελέσµατα ροής γύρω από ύφαλη διαπερατή κατασκευή, τα στοιχεία των οποίων αντλούνται από τη βιβλιογραφία. Στόχος είναι η επιβεβαίωση της ακρίβειας µε την οποία το συγκεκριµένο πρόγραµµα υπολογιστικής ρευστοµηχανικής δύναται να προβλέψει τις συνθήκες ροής που καταγράφηκαν στα πειράµατα. Τα αποτελέσµατα καταδεικνύουν την αποτελεσµατικότητα του προγράµµατος στην επίλυση ροών πλησίον ύφαλης διαπερατής κατασκευής. Εν συνεχεία, η έρευνα επεκτείνεται στο εσωτερικό της κατασκευής. ιερευνάται η µεταβολή των αποτελεσµάτων µεταξύ προσοµοιώσεων, που διαφέρουν ως προς τον τρόπο µε τον οποίο αποτυπώνεται η πολύπλοκη γεωµετρία του εσωτερικού ύφαλων διαπερατών κατασκευών. Συγκρίνονται προσοµοιώµατα στα οποία η διαπερατή κατασκευή αποδίδεται λεπτοµερώς µέσω ενός συµπλέγµατος συµπαγών σφαιρών, µε προσοµοιώµατα προσεγγιστικής θεώρησης του εσωτερικού της κατασκευής, όπως διαλαµβάνονται στο πρόγραµµα. Από την αντιπαράθεση των αποτελεσµάτων αυτών προκύπτει ικανοποιητική αριθµητική και οπτική σύγκλιση των αποτελεσµάτων. Η έρευνα καταλήγει µε την εφαρµογή του προγράµµατος σε πρόβληµα πραγµατικού ύφαλου κυµατοθραύστη, ο οποίος φορτίζεται από θαλάσσιο ρεύµα. Παρατηρήθηκε η ανάπτυξη σηµαντικών ταχυτήτων ροής πάνω από την κατασκευή µε συνεπαγόµενους κινδύνους για την ναυσιπλοΐα, τις σχετικές ανθρώπινες δραστηριότητες αλλά και την ευστάθεια της ίδιας της κατασκευής. Αναδεικνύονται επίσης, δύο περιοχές στον κυµατοθραύστη ως πιθανές θέσεις αστοχίας της θωράκισης. Η µεν πρώτη στα ανάντη της κατασκευής λόγω της υψηλής ταχύτητας εισόδου της ροής στο εσωτερικό του κυµατοθραύστη, η δε δεύτερη στα κατάντη λόγω του έντονου στροβιλισµού της ροής. 145

2 HYDRODYNAMIC FIELD INSIDE A PERMEABLE SUBMERGED BREAKWATER A. Kapsalis, Civil Eng., MSc, MEng, NTUA C. Memos, Professor, NTUA Laboratory of Harbour Works Department of Civil Engineering. National Technical University of Athens (NTUA) 5 Heroon Polytechniou, Zografou. Greece, tel , apokaps@gmail.com ABSTRACT The objective of this paper is to investigate the hydrodynamic field inside a submerged permeable breakwater. The investigation was based on simulations using a CFD program by applying the finite difference method. Initially the program is employed in experimental flow models around a submerged permeable structure found in literature. The goal is the validation of the accuracy with which the program predicts the conditions of such flows. The results confirmed the capability of the program in such flows, so the investigation expanded in the interior porosity of the structure. Two model simulations were employed in order to investigate the influence that the geometric representation of the complicated interior of the porous body has on the results. The one model involved uniform beads that approximated the inner structure of the body of a given porosity, while the second assumed a uniformly distributed porosity throughout the structure. The comparison between the results shows good agreement. Thus the simplest model was applied on a real submerged breakwater, in a marine current. High velocities were found over the structure, that may cause problems in navigation, recreational activities and the stability of the structure. Two locations with increased failure potential were identified in the armour layer. The first one at the upstream face of the structure, caused by the high incoming flow velocities due to the narrowing of the available fluid cross-section, and the second one on the lower part of the downstream face caused by the recirculating flow. 146

3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι παράλληλοι κυµατοθραύστες χρησιµοποιούνται εδώ και αρκετά χρόνια ως έργα προστασίας των ακτών από τη διαβρωτική δράση των κυµατισµών. Στην εποχή µας οι εντεινόµενες απαιτήσεις για προστασία του περιβάλλοντος και της αισθητικής του τοπίου έχουν αναγκάσει τους µηχανικούς και επιστήµονες άλλων ειδικοτήτων που ασχολούνται µε τα ζητήµατα αυτά, να διερευνούν διατάξεις και διαµορφώσεις έργων, που να ανταποκρίνονται καλύτερα στις περιβαλλοντικές απαιτήσεις. Ένα τέτοιο έργο που προσπαθεί να συνδυάσει ένα ανεκτό επίπεδο προστασίας της ακτής, µηδενίζοντας ουσιαστικά την οπτική όχληση, είναι οι ύφαλοι κυµατοθραύστες. Τα εν λόγω έργα επιτρέπουν την απρόσκοπτη κυκλοφορία του νερού αφήνοντας τα παράκτια ρεύµατα να περάσουν πάνω από την στέψη τους και µεταξύ υφάλου κυµατοθραύστη και ακτογραµµής, διευκολύνοντας την κυκλοφορία των υδάτων. Ακόµη πιο κοντά προς τις µελλοντικές απαιτήσεις της κοινωνίας είναι η δυνατότητα που θα µπορούσαν να έχουν τέτοιου είδους έργα ως προς την συντήρηση, ή ακόµα και την αναβάθµιση, του θαλάσσιου οικοσυστήµατος της περιοχής. Μια πρόταση προς την κατεύθυνση αυτή είναι η πρόβλεψη υψηλού πορώδους στο εσωτερικό του ύφαλου κυµατοθραύστη, πράγµα που ευνοεί την ανάπτυξη της πανίδας. Βασική παράµετρος από την οποία εξαρτάται η διαβίωση θαλάσσιων οργανισµών είναι ο υδροδυναµισµός της υπό εξέταση περιοχής και συγκεκριµένα του ρευστού εντός των πόρων του έργου, Kontaxi & Memos (2005). Το αντικείµενο της εργασίας αυτής αναφέρεται σε αυτό ακριβώς το ζήτηµα, δηλαδή στη διερεύνηση του υδροδυναµικού πεδίου στο εσωτερικό διαπερατών ύφαλων κυµατοθραυστών. Άλλωστε, ο υδροδυναµισµός στο εσωτερικό µιας ύφαλης κατασκευής αποτελεί πεδίο έρευνας σε εξέλιξη και σε αυτό συνηγορεί ο περιορισµένος αριθµός σχετικών άρθρων στη διεθνή βιβλιογραφία. 2. ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 2.1. ΓΕΝΙΚΑ Ο κώδικας FLOW-3D είναι ένας εµπορικός κώδικας υπολογισµού ροής, ο οποίος παρουσιάζει επιτυχή εφαρµογή σε προβλήµατα σύνθετων τρισδιάστατων ροών µε ελεύθερη επιφάνεια. Τα βασικά χαρακτηριστικά του κώδικα FLOW-3D όπως περιγράφονται στο FLOW-3D User s Manual (2005), που τον κάνουν αποτελεσµατικό στην προσοµοίωση ροών µε ελεύθερη επιφάνεια είναι συνοπτικά τα ακόλουθα: Χρησιµοποιεί την µέθοδο Volume-of-Fluid (VOF), σύµφωνα µε την οποία σε κάθε διαφορικό όγκο καθορίζεται µια και µόνο τιµή του ποσοστού του υγρού όγκου (fluid volume fraction) σε αντιστοιχία µε τις άλλες παραµέτρους (π.χ. πίεση, ταχύτητες ροής). Εφαρµόζει την µέθοδο γεωµετρικής αποτύπωσης εµποδίων FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation). Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή, τα υπάρχοντα «στερεά σώµατα-εµπόδια» της ροής καθορίζονται και «τοποθετούνται» αυτόµατα µέσα στο πλέγµα µε τον καθορισµό των τιµών των κλασµατικών επιφανειών (fractional areas) και των κλασµατικών όγκων (fractional volumes). 147

4 Στον κώδικα FLOW-3D επιλύονται µε τη µέθοδο των πεπερασµένων διαφορών σε κατάλληλους διαφορικούς όγκους οι διαφορικές εξισώσεις συνέχειας και ποσότητας κίνησης. Η επίλυση των εξισώσεων ροής γίνεται σε ορθογωνικά (καρτεσιανά) πλέγµατα. Το FLOW-3D χρησιµοποιεί την µέθοδο των διαφορικών όγκων µε την υποδιαίρεση της περιοχής ροής σε ένα πλέγµα ορθογωνικών κελιών ή διαφορικών όγκων µεταβλητού µεγέθους. Σε κάθε κελί υπολογίζονται οι τιµές για τις βασικές ποσότητες ροής (π.χ. ταχύτητα, πίεση και πυκνότητα). Για την περιγραφή της ροής σε πορώδες µέσο το πρόγραµµα FLOW-3D παρέχει τη δυνατότητα εφαρµογής κατάλληλου µαθηµατικού µοντέλου. Η λειτουργία του µαθηµατικού µοντέλου στηρίζεται στην προσθήκη µιας συρτικής δύναµης ανάλογης της πρώτης ή δεύτερης δύναµης της ταχύτητας η οποία εφαρµόζεται µε την προσθήκη ενός όρου πορώδους Ku στο δεξί µέλος της εξίσωσης ποσότητας κίνησης. Ο συρτικός συντελεστής που χρησιµοποιήθηκε στους υπολογισµούς δίνεται από τη σχέση µ 1 V K = 2 ρ V F F ADRG Re V F ( 1 V ) + BDRG F d, (1) όπου V F ο κλασµατικός όγκος αναφοράς, d η διάµετρος των κόκκων, µ και ρ είναι το ιξώδες και η πυκνότητα του νερού αντίστοιχα, ενώ ADRG και BDRG είναι οι συρτικές παράµετροι που ορίζονται ως εξής: ADRG = α όπου α είναι µια σταθερά που τυπικά έχει την τιµή 180 και 2 d BDRG = β, β είναι όρος τραχύτητας που κυµαίνεται µεταξύ 1.8 και 4.0 και d αντιπροσωπεύει από λείες έως τραχείς επιφάνειες ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ FLOW-3D Η επιβεβαίωση της καταλληλότητας του προγράµµατος βασίστηκε σε πειραµατικά στοιχεία που προέρχονται από την εργασία των Chan et al.(2007). Στην εργασία τους αυτή, οι Chan et al. µελέτησαν πειραµατικά τη ροή γύρω από διαπερατές κατασκευές. Τα πειράµατα διεξήχθησαν σε διώρυγα επανακυκλοφορίας τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά της οποίας ήταν µήκος 6,0m, πλάτος 0,3m και ύψος 0,4m. Τα οµοιώµατα διαπερατών κατασκευών που χρησιµοποιήθηκαν στα πειράµατα, αποτελούνταν από γυάλινες µπίλιες (χάντρες) τοποθετηµένες σε ένα αδιατάραχτο καλούπι. Οι διαπερατές κατασκευές ήταν µήκους 0,15m, πλάτους 0,3m και ύψους 0,075m. Χρησιµο-ποιήθηκαν δύο είδη από χάντρες µε διαµέτρους 2,5cm και 1,5cm µε κατ αντιστοιχία πορώδες 0,475 και 0,349. Η τιµή του πορώδους στην παρούσα εργασία προκύπτει σύµφωνα µε τον ορισµό, Νάνου (2006) όπου ως πορώδες ορίζεται ο λόγος του όγκου των κενών προς το συνολικό όγκο του δείγµατος. Μια πρόσθετη συµπαγής κατασκευή αντίστοιχων διαστάσεων µε τις διαπερατές δοκιµάστηκε κυρίως για λόγους σύγκρισης. Για την καλύτερη κατανόηση της γεωµετρίας του προβλήµατος παρατίθεται το Σχ.1. Κάθε µια από τις τρεις αυτές κατασκευές τοποθετήθηκε 2,915m κατάντη της εισόδου του καναλιού. Η κλίση της διώρυγας παρέµεινε σταθερή κατά τα πειράµατα και ίση µε 0,005. Εφαρµόστηκε οµοιόµορφη ταχύτητα εισόδου 148

5 U 0 του ρευστού ίση µε 0,13m/sec ενώ το βάθος ροής στην είσοδο της διώρυγας ήταν 0,21m. Η κατασκευή των γεωµετρικών στοιχείων στο µαθηµατικό οµοίωµα τόσο της πειραµατικής διώρυγας, όσο και της βυθισµένης κατασκευής έγινε µέσω του σχεδιαστικού προγράµµατος AutoCAD. Στα τρισδιάστατα γεωµετρικά στοιχεία που σχεδιάστηκαν απόδόθηκαν οι κατάλληλες φυσικές ιδιότητες (πορώδες, τραχύτητα). Για τη ρεαλιστικότερη περιγραφή του καθεστώτος της τυρβώδους ροής εφαρµόστηκε το δοκιµασµένο µοντέλο τύρβης k-ε. Επίσης, χρησιµοποιήθηκε οµογενές υπολογιστικό πλέγµα διαφορικών όγκων. Σχήµα 1: Σχηµατική αναπαράσταση της πειραµατικής διάταξης Figure 1: Experimental problem definition Οι µετρήσεις των ταχυτήτων της ροής ελήφθησαν σε 12 συνολικά διαφορετικές θέσεις κατά µήκος του άξονα x της ροής σε απόλυτη συµφωνία µε το πείραµα. Σε καθεµιά από τις θέσεις αυτές, ορίστηκαν από 10 έως 17 σηµεία κατά τον κατακόρυφο άξονα z στα οποία έγιναν οι µετρήσεις των οριζόντιων και κατακόρυφων ταχυτήτων. Όλα τα σηµεία ανήκαν στο ίδιο επίπεδο x-z, το οποίο διέρχεται από το µέσο της διώρυγας. Η διάρκεια της εξέλιξης και συνάµα παρακολούθησης της ροής και στις τρεις προσοµοιώσεις, ορίστηκε στα 360sec πραγµατικού χρόνου µε στόχο την επίτευξη ικανοποιητικού βαθµού σύγκλισης των εξαγόµενων αποτελεσµάτων. Τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων παρουσιάζονται σε διαγράµµατα λόγων ταχυ-τήτων προς λόγους βαθών. Συγκεκριµένα στο Σχ.2 ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στην κλίµακα τιµών του λόγου της υπολογιζόµενης ταχύτητας ροής U προς την αρχική ταχύτητα εισόδου U 0 του ρευστού στο υπολογιστικό πεδίο. Στον κατακόρυφο άξονα αποτυπώνονται οι τιµές του λόγου του ύψους y του σηµείου λήψης της µέτρησης από τον πυθµένα, προς το ύψος H της κατασκευής. Τα διαγράµµατα της πρώτης σειράς του Σχ.2 αφορούν τα αριθµητικά αποτελέσµατα οριζοντίων ταχυτήτων σε 4 ενδεικτικές θέσεις του πεδίου ροής και συγκεκριµένα ανάντη της κατασκευής, πάνω από την κατασκευή, στην περιοχή στροβιλισµού της ροής και κατάντη. Το κύριο φαινόµενο που λαµβάνει χώρα στην περιοχή στροβιλισµού, είναι η αναστροφή της κατεύθυνσης της ροής λόγω συνέχειας. Στη δεύτερη σειρά του σχήµατος 2 περιέχονται τα αντίστοιχα πειραµατικά διαγράµµατα. Η ικανοποιητική σύγκλιση µεταξύ πειραµατικών και αριθµητικών αποτελεσµάτων είναι εµφανής. Αντίστοιχος βαθµός σύγκλισης προέκυψε κατά την σύγκριση των κατακόρυφων ταχυτήτων. 149

6 3,0 2,5 γ=0.475 γ= ,0 γ=0 y/h 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 U/Uo 0,5 1,0 1,5 2,0-5 Σχήµα 2: Συγκριτικά διαγράµµατα οριζόντιων ταχυτήτων Figure 2: Horizontal velocity profiles 3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΟΡΩ ΟΥΣ ΜΕΣΟΥ Στο παρόν εδάφιο επιχειρείται η περαιτέρω διερεύνηση των δυνατοτήτων του ιδίου µαθη-µατικού µοντέλου ροής εντός πορώδους µέσου και παράλληλα, η µελέτη των υδροδυναµικών συνθηκών που επικρατούν στο εσωτερικό µιας ύφαλης διαπερατής κατασκευής. Η µέθοδος που ακολουθείται συνίσταται στην αντιπαράθεση προσοµοιωµάτων λεπτοµερούς απεικόνισης της γεωµετρίας της κατασκευής µε τα αντίστοιχα της προσεγγιστικής απεικόνισης. Οι δύο τύποι κατασκευών που χρησιµοποιούνται στις συγκριτικές προσοµοιώσεις αποτυπώνονται χαρακτη-ριστικά στο Σχ.3. Πλέον, η κατασκευή δεν αποδίδεται αποκλειστικά µέσω ενός ορθογωνικού στερεού µε ιδιότητες πορώδους µέσου, αλλά επίσης σχεδιάζονται αναλυτικά µία προς µία οι σφαίρες που προσοµοιώνουν τον πολύπλοκο ιστό του πορώδους µέσου. Έτσι, δηµιουργείται ένα δίκτυο ροής διαµέσου των σφαιρών που µοιάζει αρκετά µε δίκτυο ροής σε χονδρόκοκκο πορώδες µέσο. Και οι δύο κατασκευές είναι στερεά κατασκευασµένα στο σχεδιαστικό πρόγραµµα AutoCAD. Η διάταξη που χρησιµοποιείται είναι αυτή του προηγούµενου εδαφίου. Το υπολογιστικό πλέγµα παραµένει οµογενές αυξάνει ωστόσο σηµαντικά η πυκνότητα του και συγκεκριµένα αποτελείται από διαφορικούς όγκους. αυτό σηµαίνει τυπική διάσταση πλέγµατος x y z = 0,5cm 0,5cm 0,5cm. 150

7 Σχήµα 3: Λεπτοµερής και προσεγγιστική γεωµετρία κατασκευής Figure 3: Structure s geometry Από τα διαγράµµατα που ακολουθούν στα Σχ.4 και 5 γίνεται φανερό ότι κατά την προ-σεγγιστική γεωµετρική απεικόνιση πραγµατοποιείται εξοµάλυνση των εντόνως µεταβαλλόµε-νων προς κάθε κατεύθυνση τιµών της ταχύτητας ροής που αναπτύσσονται στο εσωτερικό ύφα-λης διαπερατής κατασκευής. Το συµπέρασµα προκύπτει έπειτα από την παρατήρηση του µοντέλου λεπτοµερούς γεωµετρίας όπου οι υψηλές τιµές της ταχύτητας ροής αναπτύσσονται στις διόδους που δηµιουργούν τα κενά του εσωτερικού της κατασκευής. Μια από τις αδυναµίες της προσεγγιστικής γεωµετρικής περιγραφής που παρατηρείται είναι η ανεπαρκής περιγραφή του φαινοµένου στη µικροκλίµακα του εσωτερικού της κατά-σκευής, κυρίως εκεί όπου αναπτύσσονται αρνητικές τιµές ταχυτήτων. y/h U/Uo 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Λεπτοµερής Προσεγγιστική 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Θέση x=2.944 / y=0.195 Θέση x=2.970 / y=0.195 Θέση x=2.995 / y= Θέση x=20 / y=0.195 Σχήµα 4: Κατανοµές οριζόντιων ταχυτήτων στην κατασκευή Figure 4: Horizontal velocity profiles at structure s location 3.5 Θέση x=45 / y=0.195 Στις κατακόρυφες ταχύτητες του Σχ.5 η σύγκριση των προσοµοιωµάτων παρουσιάζει ακόµη µεγαλύτερη σύγκλιση. Οι διακυµάνσεις των κατακόρυφων ταχυτήτων της ροής στο µοντέλο λεπτοµερούς γεωµετρίας δεν εµφανίζουν µεγάλο εύρος σε σχέση µε τις οριζόντιες ταχύτητες. 3,5 Λεπτοµερής Προσεγγιστική 3,0 2, y/h 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 W/Uo -1,0-0,5 0,0 0,5 1, Θέση x=2.944 / y=0.195 Θέση x=2.970 / y=0.195 Θέση x=2.995 / y=0.195 Θέση x=20 / y=0.195 Θέση x=45 / y=0.195 Σχήµα 5: Κατανοµές κατακόρυφων ταχυτήτων στην κατασκευή Figure 5: Vertical velocity profiles at structure s location 151

8 Συµπερασµατικά, η θέση και η µορφή της κατανοµής της ταχύτητας ροής που δίδεται από το προσεγγιστικό µοντέλο προσεγγίζουν ικανοποιητικά τη µέση τιµή της ταχύτητας ροής στα προσοµοιώµατα λεπτοµερούς γεωµετρικής απεικόνισης. 4. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΥΦΑΛΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ Η ανάλυση που προηγήθηκε στo εδάφιο 3 αξιοποιείται σε επίπεδο πραγµατικού προβλήµατος. Το µαθηµατικό οµοίωµα πορώδους µέσου που χρησιµοποιείται παραπάνω εφαρµόζεται σε ύφαλο διαπερατό κυµατοθραύστη. Μελετάται η επίδραση θαλάσσιου ρεύµατος στο υδροδυναµικό πεδίο ενός ύφαλου κυµατοθραύστη από λιθορριπές δύο στρώσεων, Αqaba Saraya Project (2006). Σχεδιάστηκε ως στερεό γεωµετρικό σώµα µία στενή λωρίδα του πυθµένα της περιοχής εδράσεως του έργου πλάτους 7m και µήκους 200m σύµφωνα µε τα διαθέσιµα βυθοµετρικά στοιχεία. Το έργο, που εµφανίζεται στο Σχ.6, θεωρήθηκε συµπαγές και αδιαπέρατο. Τα δύο τµήµατα του κυµατοθραύστη (θωράκιση και πυρήνας) σχεδιάστηκαν ως στερεά µε φυσικές ιδιότητες πορώδους µέσου µε τιµές πορώδους 0,465 και 0,38 αντίστοιχα. Το ανάντι άκρο του κυµατοθραύστη τοποθετήθηκε στη θέση x=119,0m κατάντι του βαθύτερου σηµείου του πυθµένα. Το υπολογιστικό πλέγµα σχεδιάστηκε µε πύκνωση κελιών στην περιοχή γύρω από τον κυµατοθραύστη βασισµένο σε οδηγίες που αντλήθηκαν από το FLOW-3D Training Course Material µε διπλό στόχο την ακριβέστερη αποτύπωση του φαινοµένου της ροής σε συνδυασµό µε τη µείωση του υπολογιστικού όγκου του προβλήµατος. Οι διαστάσεις του ήταν 205m κατά x, 5m κατά y και 12m κατά z. Συνολικά δηµιουργήθηκαν διαφορικοί όγκοι. Η επίλυση των προσοµοιωµάτων ορίστηκε έτσι ώστε να προβλέπονται τα φαινόµενα της ροής του ύδατος εντός του πεδίου για πραγµατικό χρόνο µιας ώρας. Στο Σχ.7 παρουσιάζονται τα προφίλ της οριζόντιας ταχύτητας του ρεύµατος σε διάφορες διατοµές κατά µήκος του πυθµένα. Οι αποστάσεις που αναγράφονται σε κάθε διάγραµµα έχουν ως αρχή µετρήσεως το βαθύτερο σηµείο του πυθµένα του προσοµοιώµατος. Οι διατοµές από x=121m έως και x=142,5m αντιστοιχούν στη θέση του σώµατος του κυµατοθραύστη. Το αρχικά ήπιο παραβολικό σχήµα του προφίλ καµπυλώνεται καθώς η ροή κινείται προς τα κατάντη. Πάνω από τη στέψη της κατασκευής καταγράφονται µεγάλες ταχύτητες. Σχήµα 6: Τρισδιάστατη γεωµετρία προβλήµατος Figure 6: 3-D problem geometry 152

9 H (m) προφίλ ταχύτητας x=6m U/Uo x=114.0m x=12m x=125.0m x=128.5m x=13m x=135.5m x=139.0m x=14m 10 x=15m x=16m x=17m Σχήµα 7: Προφίλ οριζόντιας ταχύτητας Figure 7: Horizontal velocity profiles Στο Σχ.8 εµφανίζεται η περιοχή µετά τον κυµατοθραύστη και προς την ακτή όπου παρατηρείται εµφάνιση της περιοχής στροβιλισµού της ροής. Σχήµα 8: Ισοϋψείς οριζόντιας ταχύτητας Figure 8: Horizontal velocity contours 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η κίνηση θαλάσσιου ρεύµατος στο οποίο παρεµβάλλεται ύφαλη διαπερατή κατασκευή προκαλεί την εµφάνιση ιδιαίτερα υψηλών ταχυτήτων ροής πάνω από τη στέψη της κατασκευής. Τα φαινόµενο ερµηνεύεται από την παρουσία µειωµένης υγρής διατοµής πάνω από την κατασκευή σε συνδυασµό µε την αύξηση της ανάντη στάθµης της ελεύθερης επιφάνειας. Το µέγεθος των ταχυτήτων που δύναται να αναπτυχθούν υπό αυτές τις συνθήκες ροής, εγκυµονεί κινδύνους για τη ναυσιπλοΐα, την κολύµβηση, αλλά και την ευστάθεια της θωράκισης της στέψης του έργου. Η παρατήρηση της εξέλιξης της κατανοµής της ταχύτητας του ρεύµατος από τα ανάντη προς τα κατάντη του κυµατοθραύστη προδίδει την παροδικότητα των συντελούµενων µεταβολών στη µορφή της και την τάση να επανέλθει στην αρχική της µορφή. Η διαπίστωση αυτή αν και ήταν αναµενόµενη, είναι ύψιστης σηµασίας διότι ενισχύει την άποψη πως οι ύφαλες κατασκευές δεν είναι ικανές να περιορίσουν την εξέλιξη ακραίων µεν καταστροφικών δε φαινοµένων 153

10 όπως είναι τα µακρά κύµατα, στην κατηγορία των οποίων ανήκουν και τα τσουνάµι. Κατάντη της κατασκευής του ύφαλου κυµατοθραύστη παρατηρείται η δηµιουργία περιοχής στροβιλισµού της ροής. Η εµφάνιση της ζώνης αυτής εντοπίζεται στο κατάντη πρανές της θωράκισης του κυµατοθραύστη. Η διαδικασία στροβιλισµού της ροής στην περιοχή αυτή, εγκυµονεί τον κίνδυνο της υποσκαφής του πυθµένα στον κατάντη πόδα της θωράκισης του κυµατοθραύστη µε φυσικό επακόλουθο την υποχώρηση τµήµατος της θωράκισης. Παρόµοιες συνθήκες πιθανής αστοχίας της κατασκευής ισχύουν στην κορυφή του ανάντη πρανούς του κυµατοθραύστη. Πρόκειται για τη ζώνη εισόδου του ρευστού στην κατασκευή και ο κίνδυνος αστοχίας εστιάζεται στην περιοχή όπου παρουσιάζεται η αιχµή της εισερχόµενης παροχής. Και σε αυτή την περίπτωση, η ενδεχόµενη ενίσχυση αφορά τη θωράκιση της κατασκευής. Το µαθηµατικό οµοίωµα FLOW-3D που µελετήθηκε αναπαριστά ικανοποιητικά τις υδροδυναµικές συνθήκες µέσα και γύρω από ύφαλους κυµατοθραύστες σε πεδίο οµοιόµορφης ροής. Η προσεγγιστική θεώρηση της πορώδους κατασκευής ως οµοιόµορφου σώµατος δεδοµένης διαπερατότητας ευρέθη επίσης ότι είναι ικανοποιητική για πρακτικές εφαρµογές. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Aqaba Saraya Project (2006), Wave penetration and hydrodynamics modelling in a coastal lagoon near Aqaba, N.T.U.A. Chan H.C., Leu G.M. and Lai C.J. (2007), Velocity and turbulence field around permeable structure: Comparisons between laboratory and numerical experiments, Journal of Hydraulic Research Vol.45, No. 2 (2007), pp FLOW-3D Training Course Material (2005). CFD Consultants. FLOW-3D User s Manual (2005). Flow Science Inc. Kontaxi C. and Memos C. (2005), Submerged Breakwaters as Artificial Habitats, XXXI IAHR Congress. Νάνου Α. (2006), «Εισαγωγή στα Υπόγεια Νερά», Ε.Μ.Π. 154