ΕΚΤΕΝΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΕΡΓΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΕΙΔΙΚΟΣ ΛΟΓΑΡΙΑΣΜΟΣ ΚΟΝΔΥΛΙΩΝ ΕΡΕΥΝΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ 2010 ΕΚΤΕΝΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΕΡΓΟΥ Α. ΤΙΤΛΟΣ Εξέλιξη μορφολογίας παρακτίου πυθμένα λόγω μεταφοράς ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση κατά τη θραύση κυμάτων μέσω αριθμητικής προσομοίωσης Β. ΣΤΟΧΟΣ Η αριθμητική διερεύνηση της συμπεριφοράς της μεταφοράς ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση στην παράκτια ζώνη κατά τη θραύση κυμάτων, όπου η δράση και των δύο τύπων μεταφοράς ιζήματος εντείνεται, και της επίδρασής της στην εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα, ο οποίος αρχικά είναι επίπεδος με μη-μηδενική κλίση. Η μεθοδολογία βασίζεται στην αριθμητική «προσομοίωση μεγάλων κυμάτων» LWS (large-wave simulation) της τυρβώδους ροής κατά τη θραύση κυμάτων και της συνεπαγόμενης μεταφοράς ιζήματος σε αιώρηση, καθώς και τη χρήση εμπειρικών εξισώσεων για τη μεταφορά ιζήματος κλίνης. Γ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η μεταφορά ιζήματος, η οποία προκαλείται από τη δράση θαλασσίων κυμάτων στην παράκτια ζώνη, είναι ο βασικός μηχανισμός διάβρωσης αμμωδών ακτών. Η επίδραση της μεταφοράς ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση εντείνεται στην περιοχή της γραμμής θραύσης λόγω της ύπαρξης αυξημένης διατμητικής τάσης πυθμένα και τυρβώδους διάχυσης, αντίστοιχα. Η παρούσα πρόταση έχει στόχο τη διερεύνηση, μέσω αριθμητικής προσομοίωσης, της αλληλεπίδρασης της τυρβώδους ροής, η οποία προκαλείται κατά τη θραύση κυμάτων πάνω από επίπεδο πυθμένα μη-μηδενικής, αρχικά, κλίσης, της συνεπαγομένης μεταφοράς ιζήματος και της εξέλιξης της μορφολογίας του πυθμένα. Η μεθοδολογία βασίζεται στην προηγμένη αριθμητική μέθοδο προσομοίωσης τυρβώδους ροής LWS κατά τη θραύση εκχείλισης (spilling) και περιλαμβάνει μετασχηματισμό συντεταγμένων για την απεικόνιση των κινουμένων ορίων ελεύθερης επιφάνειας και πυθμένα. Από πλευράς αποτελεσμάτων ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα τυρβώδη στατιστικά και δομικά χαρακτηριστικά της ροής, η δημιουργία του υποβρυχίου κυματογενούς ρεύματος (undertow current), τα στατιστικά και δομικά χαρακτηριστικά της συγκέντρωσης ιζήματος σε αιώρηση, η χωρική και χρονική μεταβολή της μεταφοράς ιζήματος κλίνης, καθώς και η συνεπαγομένη εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα. 1

2 Δ. ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ 1. Σημερινή γνώση στο θέμα Η παρούσα πρόταση έχει στόχο τη διερεύνηση, μέσω αριθμητικής προσομοίωσης, της τυρβώδους ροής, που προκαλείται από τη διάδοση και θραύση κυμάτων πάνω από αμμώδη επίπεδο πυθμένα με μη-μηδενική, αρχικά κλίση, της συνεπαγομένης μεταφοράς ιζήματος και της εξέλιξης της μορφολογίας του πυθμένα. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης έχουν εφαρμογή στους υπολογισμούς μεταφοράς ιζήματος η οποία είναι ο βασικός μηχανισμός διάβρωσης των ακτών (Batjes 1988, Peregrine 1983). Η θραύση εκχείλισης (spilling), η οποία είναι η συνηθέστερη μορφή θραύσης στην παράκτια ζώνη, έχει γίνει αντικείμενο μελέτης στο παρελθόν μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων (Karambas & Koutitas 1992, Schaffer et al. 1993, Madsen et al. 1997, Lin & Liu 1998, Bradford 2000, Christensen & Deigaard 2001, Briganti et al. 2004, Musumeci et al. 2005, Watanabe et al. 2005, Christensen 2006, Torres-Freyermuth et al. 2007, Dimas & Dimakopoulos 2009) και εργαστηριακών πειραμάτων (Ting & Kirby 1994, Ting & Kirby 1996, de Serio & Mossa 2006, Longo 2009, Huang et al. 2009). Οι αριθμητικές μελέτες βασίζονται είτε στην επίλυση των εξισώσεων Boussinesq με χρήση εμπειρικού μοντέλου επιφανειακού στροβίλου για τη θραύση (Karambas & Koutitas 1992, Schaffer et al. 1993, Madsen et al., 1997; Briganti et al., 2004, Musumeci et al. 2005) είτε στην επίλυση των Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) εξισώσεων με χρήση μοντέλου τύρβης (Lin & Liu 1999, Bradford 2000, Torres-Freyermuth et al. 2007) είτε στην «προσομοίωση μεγάλων δινών» LES (large-eddy simulation) (Christensen & Deigaard 2001, Watanabe et al. 2005, Christensen 2006). Η επίλυση των εξισώσεων Boussinesq έχει ως αποτέλεσμα το μέσο ως προς το βάθος πεδίο ροής και, επομένως, βασίζεται σε εμπειρικές εξισώσεις για την πρόβλεψη της μεταφοράς ιζήματος σε αιώρηση (Karambas & Koutitas 2002, Nam et al. 2009) το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο κατά τη θραύση κυμάτων. Η επίλυση των εξισώσεων RANS έχει ως αποτέλεσμα την πλήρη ανάλυση της ροής και ως προς το βάθος αλλά, παρά την ευρεία επιλογή μοντέλων τύρβης, παρουσιάζει προβλήματα καθώς υποεκτιμάται το ύψος θραύσης και υπερεκτιμάται η απόσβεση κατά τη θραύση (Lin & Liu 1998, Bradford 2000). Η αριθμητική προσομοίωση LES συνήθως απαιτεί μεγαλύτερο υπολογιστικό χρόνο από την επίλυση των RANS αλλά δίνει καλύτερα αποτελέσματα τύρβης κατά τη θραύση καθώς οι δομές των μεγάλων δινών αναλύονται πλήρως. Οι Zhao et al. (2004) και Hieu et al. (2004) παρουσίασαν μια μορφή LES με χρήση SGS (sub-grid scale) μοντέλων τύρβης για δισδιάστατη ροή. Συγκεκριμένα, οι Zhao et al. (2004) ανέπτυξαν ένα SGS μοντέλο κινητικής ενέργειας, ενώ οι Hieu et al. (2004) χρησιμοποίησαν ένα κλασσικό SGS μοντέλο τύπου Smagorinsky. Το ύψος κύματος στη ζώνη απόσβεσης υπερεκτιμάται από τους Zhao et al. (2004), ενώ προβλέπεται με πολύ καλή ακρίβεια από τους Hieu et al. (2004) σε σύγκριση με αντίστοιχες εργαστηριακές μετρήσεις. Σε κάθε περίπτωση, η χρήση δισδιάστατων SGS μοντέλων ενέχει ανακρίβειες ως προς την πρόβλεψη των τυρβωδών χαρακτηριστικών της ροής και, επομένως, της μεταφοράς ιζήματος σε αιώρηση. Οι Christensen & Deigaard (2001) πραγματοποίησαν τρισδιάστατες προσομοιώσεις LES της ροής στη ζώνη απόσβεσης πάνω από επίπεδο πυθμένα σταθερής κλίσης 1/20 χωρίς ταυτόχρονη προσομοίωση μεταφοράς ιζήματος με χρήση SGS μοντέλου τύρβης κατά Smagorinsky. Τα αποτελέσματα για θραύση εκχείλισης δεικνύουν ότι παράγεται τυρβώδης κινητική ενέργεια στο θραυόμενο μέτωπο του κύματος (επιφανειακός στρόβιλος surface roller) και διαχέεται προς 2

3 τον πυθμένα με ταυτόχρονη μετάδοση εγκαρσίων στροβίλων στον ομόρου του θραυομένου κύματος. Οι Watanabe et al. (2005) πραγματοποίησαν τρισδιάστατες προσομοιώσεις LES της ροής στη ζώνη απόσβεσης πάνω από επίπεδο πυθμένα σταθερής κλίσης 1/20 χωρίς ταυτόχρονη προσομοίωση μεταφοράς ιζήματος με χρήση SGS μοντέλου τύρβης κατά RNG (renormalization group theory). Εκτός από τη μετάδοση εγκαρσίων στροβίλων στον ομόρου του θραυομένου κύματος, παρατηρήθηκε και η δημιουργία διαμήκων στροβίλων. Ο Christensen (2006) πραγματοποίησε τρισδιάστατες προσομοιώσεις LES της ροής στη ζώνη απόσβεσης πάνω από επίπεδο πυθμένα σταθερής κλίσης 1/35 χωρίς ταυτόχρονη προσομοίωση μεταφοράς ιζήματος με χρήση SGS μοντέλου τύρβης κατά Smagorinsky. Παρουσιάζονται αποτελέσματα παραγωγής τύρβης και εμφάνισης του υποβρυχίου κυματογενούς ρεύματος στη ζώνη απόσβεσης, αλλά, κατόπιν σύγκρισης με διαθέσιμες εργαστηριακές μετρήσεις (Ting & Kirby 1994, 1996) υπερεκτιμώνται το βάθος και το ύψος κύματος κατά τη θραύση, καθώς και η απόσβεση του ύψους κύματος και η τυρβώδης διάχυση στη ζώνη απόσβεσης. 2. Ανάπτυξη της μεθοδολογίας του προγράμματος Το προτεινόμενο ερευνητικό έργο θα διερευνήσει, μέσω αριθμητικής «προσομοίωσης μεγάλων κυμάτων» LWS (large-wave simulation) την τυρβώδη ροή κατά τη θραύση κυμάτων πάνω από αμμώδη πυθμένα θεωρώντας ταυτόχρονα τη μεταφορά ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση και την αντίστοιχη μεταβολή της μορφολογίας του πυθμένα. Η μέθοδος LWS βασίζεται στην παρατήρηση ότι κατά τη διάδοση θραυομένων κυμάτων εκχείλισης η στάθμη της ελεύθερης επιφάνειας μπορεί να διαχωριστεί σε διακυμάνσεις μεγάλης και μικρής κλίμακας. Οι διακυμάνσεις μικρής κλίμακας παράγουν τον χαρακτηριστικό αφρισμό στο μέτωπο κύματος εκχείλισης. Ο στόχος της μεθόδου είναι η επίλυση των μεταβλητών μεγάλης κλίμακας της ροής και η χρήση μοντέλων για τον υπολογισμό της επίδρασης των μεταβλητών μικρής κλίμακας. Η μέθοδος λοιπόν αποτελεί τη συνεπή επέκταση της βασικής ιδέας της μεθόδου LES στις ροές ελεύθερης επιφάνειας που αναπτύσσουν θραυομένους κυματισμούς εκχείλισης. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την προσομοίωση της τυρβώδους ροής με αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes μέσω της μεθόδου LWS, την προσομοίωση του ιζήματος σε αιώρηση μέσω ταυτόχρονης επίλυσης της εξίσωσης συγκέντρωσης ιζήματος, τον αριθμητικό υπολογισμό της παροχής ιζήματος κλίνης με χρήση εμπειρικών σχέσεων μέσω της διατμητικής τάσης πυθμένα και τον υπολογισμό της εξέλιξης της μορφολογίας του πυθμένα μέσω αριθμητικής επίλυσης της διαφορικής εξίσωσης ισορροπίας μεταξύ μεταφοράς, αφαίρεσης και εναπόθεσης ιζήματος. Η προτεινόμενη έρευνα αναλύεται σε τρείς φάσεις. Κάθε φάση αποτελείται από ένα στάδιο ανάπτυξης του σχετικού λογισμικού και ένα στάδιο παραγωγής αποτελεσμάτων. Τα στάδια ανάπτυξης λογισμικού δεν έχουν επικαλύψεις ως προς τη χρονική τους διάρκεια. Το πλήρες χρονοδιάγραμμα των φάσεων δίδεται στην ενότητα Ε. Φάση 1: Τίτλος: Αριθμητική προσομοίωση LWS της τρισδιάστατης τυρβώδους ροής κατά τη θραύση κυμάτων πάνω από επίπεδο, μη-κινούμενο πυθμένα σταθερής κλίσης. Χρονική Διάρκεια: 24 μήνες Περιγραφή: Ανάπτυξη λογισμικού και εκτέλεση LWS προσομοιώσεων της τρισδιάστατης τυρβώδους ροής κυμάτων κατά τη θραύση πάνω από επίπεδο, μηκινούμενο πυθμένα σταθερής κλίσης. Ο στόχος της φάσης 1 είναι η ανάπτυξη του λογισμικού προσομοίωσης της τυρβώδους ροής ανεξάρτητα από το αριθμητικό 3

4 μοντέλο μεταφοράς ιζήματος και η εκτέλεση των σχετικών προσομοιώσεων. Η μεθοδολογία LWS βασίζεται στην επίλυση των κατάλληλα χωρικά φιλτραρισμένων εξισώσεων Navier-Stokes και την εφαρμογή των οριακών συνθηκών που διέπουν το πρόβλημα. Η διαδικασία του φιλτραρίσματος διαχωρίζει κάθε μεταβλητή της ροής (συνιστώσες ταχύτητας, πίεση και ανύψωση ελεύθερης επιφάνειας) σε άθροισμα δύο συνιστωσών: τη συνιστώσα μεγάλης ή επιλυόμενης κλίμακας και τη συνιστώσα μικρής ή μη επιλυόμενης κλίμακας. Για κάθε μεταβλητή της ροής, η συνιστώσα επιλυόμενης κλίμακας περιλαμβάνει διακυμάνσεις με χωρικές διαστάσεις ίσες ή μεγαλύτερες από τις διαστάσεις του αριθμητικού πλέγματος, ενώ η συνιστώσα μικρής κλίμακας περιλαμβάνει διακυμάνσεις με χωρικές διαστάσεις μικρότερες από τις διαστάσεις του αριθμητικού πλέγματος. Οι φιλτραρισμένες εξισώσεις Navier-Stokes επιλύονται ως προς τις μεταβλητές μεγάλης κλίμακας (επιλυόμενες). Η επίδραση των μεταβλητών μικρής κλίμακας (μη επιλυόμενες) παίρνει τη μορφή πεδίων τάσεων που περιγράφονται με μοντέλα τυρβώδους συνεκτικότητας. Η επίδραση των μικρών διακυμάνσεων της τυρβώδους ροής μοντελοποιείται με το πεδίο SGS τάσεων μικρών δινών (Rogallo & Moin 1984), ενώ η επίδραση των μικρών διακυμάνσεων της ελεύθερης επιφάνειας μοντελοποιείται με το πεδίο SGS τάσεων μικρών κυμάτων (Dimas & Fialkowski 2000). Οι οριακές συνθήκες είναι η κινηματική και οι δυναμικές συνθήκες στην ελεύθερη επιφάνεια, η συνθήκη μηδενισμού της ταχύτητας στην επιφάνεια του πυθμένα, οι συνθήκες εισροής και εκροής κατά τη διεύθυνση διάδοσης των κυματισμών και η συνθήκη περιοδικότητας κατά τη διεύθυνση εγκάρσια στη διάδοση των κυματισμών. Η ανύψωση της ελεύθερης επιφάνειας είναι άγνωστη μεταβλητή του προβλήματος και συγχρόνως επιφάνεια εφαρμογής οριακών συνθηκών. Το πρόβλημα θα αντιμετωπιστεί με τη χρήση μετασχηματισμού «σ», όπου η ελεύθερη επιφάνεια μετασχηματίζεται σε επίπεδη και μη μεταβαλλόμενη με το χρόνο επιφάνεια, και εμφανίζονται επιπρόσθετοι όροι στις εξισώσεις Navier-Stokes. Οι οριακές συνθήκες ελεύθερης επιφάνειας εφαρμόζονται στη μετασχηματισμένη επίπεδη ελεύθερη επιφάνεια και η πραγματική ελεύθερη επιφάνεια προκύπτει από την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης της κινηματικής οριακής συνθήκης. Η αριθμητική επίλυση βασίζεται σε μία μέθοδο προβολής δευτέρου βαθμού με σχήμα κλασματικού χρονοβήματος (Dimas & Fialkowski 2000) για την προώθηση στο χρόνο και μία μικτή μέθοδο για τη διακριτοποίηση στο χώρο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κεντρικές πεπερασμένες διαφορές κατά την κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων, συναρτήσεις Fourier εγκάρσια στην κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων και Chebyshev πολυώνυμα στην κατεύθυνση της βαρύτητας. Οι υπολογισμοί θα γίνουν στο παράλληλο υπολογιστικό περιβάλλον MPI με χρήση του οκταπύρηνου υπολογιστή του Εργαστηρίου Υδραυλικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Παράμετροι του προβλήματος είναι η αδιάστατη περίοδος και το αδιάστατο ύψος του προσπίπτοντος κύματος καθώς και η κλίση του επίπεδου πυθμένα, όπου οι διαστάσεις μήκους αδιαστατοποιούνται με το αρχικό βάθος του πυθμένα και οι ταχύτητες με το τετράγωνο του γινομένου επιτάχυνση της βαρύτητας επί το αρχικό βάθος. Οι αδιάστατες εξισώσεις εξαρτώνται από τους αδιάστατους αριθμούς Reynolds και Froude. Θα εξετασθεί ικανός αριθμός συνδυασμών των ανωτέρω παραμέτρων για τυπικές τιμές στην παράκτια ζώνη. Από πλευράς αποτελεσμάτων ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα μέσα ανά φάση της περιόδου κύματος τυρβώδη στατιστικά χαρακτηριστικά της ροής, οι τρισδιάστατες δομές στροβιλότητας και η επίδραση της κλίσης του πυθμένα τόσο στην ανάπτυξη της τύρβης όσο και στην κατανομή της διατμητικής τάσης πυθμένα. 4

5 Φάση 2: Τίτλος: Αριθμητικό μοντέλο μεταφοράς ιζήματος και εξέλιξης πυθμένα στην περίπτωση δισδιάστατης ροής κατά τη διάδοση κυμάτων. Χρονική Διάρκεια: 18 μήνες Περιγραφή: Ανάπτυξη λογισμικού και εκτέλεση προσομοιώσεων μεταφοράς ιζήματος και μεταβολής μορφολογίας πυθμένα θεωρώντας δισδιάστατη ροή κατά τη διάδοση κυμάτων. Ο στόχος της φάσης 2 είναι η ανάπτυξη του λογισμικού προσομοίωσης μεταφοράς ιζήματος και εξέλιξης πυθμένα ανεξάρτητα από την ύπαρξη τυρβώδους ροής και η εκτέλεση των σχετικών προσομοιώσεων. Το αριθμητικό μοντέλο μεταφοράς ιζήματος σε αιώρηση θα βασισθεί σε απευθείας υπολογισμό μέσω αριθμητικής προσομοίωσης, ενώ ο υπολογισμός της μεταφοράς ιζήματος κλίνης θα γίνει με χρήση τυπικών εμπειρικών σχέσεων μέσω της διατμητικής τάσης πυθμένα. Στην πρώτη περίπτωση, θα επιλυθεί η διαφορική εξίσωση μεταφοράς-διάχυσης της συγκέντρωσης του ιζήματος ταυτόχρονα με την επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes της ροής. Η οριακή συνθήκη συγκέντρωσης στον πυθμένα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ιζήματος και τη διατμητική τάση πυθμένα. Στην δεύτερη περίπτωση, θα γίνει χρήση εμπειρικού τύπου συσχέτισης παροχής ιζήματος κλίνης και διατμητικής τάσης πυθμένα όπως π.χ. τον κλασικό τύπο των Meyer-Peter and Müller (Fredsøe & Deigaard 1992). Ο υπολογισμός της μεταβολής της μορφολογίας του πυθμένα θα πραγματοποιηθεί με επίλυση της διαφορικής εξίσωσης ισορροπίας μεταξύ μεταβολής της παροχής του ιζήματος και αφαίρεσης/εναπόθεσης υλικού στον πυθμένα με αποτέλεσμα την αντίστοιχη ταπείνωση/ανύψωση της στάθμης του πυθμένα. Ο υπολογισμός θα γίνεται είτε μετά από κάθε χρονοβήμα της ροής είτε μετά από ένα πεπερασμένο αριθμό χρονοβημάτων της ροής ενώ η διακριτοποίηση θα γίνει σύμφωνα με τη διακριτοποίηση της ροής με χρήση κεντρικών πεπερασμένων διαφορών κατά την κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων και συναρτήσεις Fourier εγκάρσια στην κατεύθυνση διάδοσης των κυμάτων. Οι υπολογισμοί θα γίνουν στο παράλληλο υπολογιστικό περιβάλλον MPI με χρήση του οκταπύρηνου υπολογιστή του Εργαστηρίου Υδραυλικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Παράμετροι του προβλήματος είναι η αδιάστατη περίοδος και το αδιάστατο ύψος του προσπίπτοντος κύματος, τα χαρακτηριστικά του ιζήματος, καθώς και η αρχική κλίση του επίπεδου πυθμένα. Οι μεταβλητές αδιαστατοποιούνται όπως και στη φάση 1. Θα εξετασθεί ικανός αριθμός συνδυασμών των ανωτέρω παραμέτρων για τυπικές τιμές στην παράκτια ζώνη. Από πλευράς αποτελεσμάτων ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν η κατανομή της συγκέντρωσης του ιζήματος σε αιώρηση ιδιαίτερα στην περιοχή της γραμμής θραύσης και ο τυχόν συσχετισμός της με την κατανομή της στροβιλότητας της ροής, η κατανομή της μέσης συγκέντρωσης του ιζήματος και ο τυχόν συσχετισμός της με τη μέση ταχύτητα της ροής, η εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα και η επίδρασή της στα χαρακτηριστικά της ροής σε σύγκριση με την περίπτωση στερεού πυθμένα. Φάση 3: Τίτλος: Αριθμητική προσομοίωση μεταφοράς ιζήματος και εξέλιξης πυθμένα στην περίπτωση τυρβώδους ροής κατά τη διάδοση κυμάτων. Χρονική Διάρκεια: 18 μήνες Περιγραφή: Ανάπτυξη λογισμικού και εκτέλεση LWS προσομοιώσεων της τρισδιάστατης τυρβώδους ροής κυμάτων πάνω από αμμώδη πυθμένα με ταυτόχρονο υπολογισμό μεταφοράς ιζήματος και εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα. Ο στόχος της φάσης 3 είναι η ανάπτυξη του σχετικού λογισμικού προσομοίωσης από το συνδυασμό των λογισμικών που θα έχουν αναπτυχθεί κατά τις φάσεις 1 5

6 και 2 και η εκτέλεση των σχετικών προσομοιώσεων. Επομένως, η μεθοδολογία αποτελεί ένα συνδυασμό των μεθοδολογιών των φάσεων 1 και 2 και δεν επαναλαμβάνεται η περιγραφή. Παράμετροι του προβλήματος είναι η αδιάστατη περίοδος και το αδιάστατο ύψος του προσπίπτοντος κύματος, τα χαρακτηριστικά του ιζήματος, καθώς και η αρχική κλίση του επίπεδου πυθμένα. Οι μεταβλητές αδιαστατοποιούνται όπως και στη φάση 1. Θα εξετασθεί ικανός αριθμός συνδυασμών των ανωτέρω παραμέτρων για τυπικές τιμές στην παράκτια ζώνη. Από πλευράς αποτελεσμάτων ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα μέσα ανά φάση της περιόδου κύματος τυρβώδη στατιστικά χαρακτηριστικά της ροής, οι τρισδιάστατες δομές στροβιλότητας, τα στατιστικά χαρακτηριστικά της συγκέντρωσης του ιζήματος σε αιώρηση ιδιαίτερα στην περιοχή της γραμμής θραύσης και ο τυχόν συσχετισμός τους με τα αντίστοιχα τυρβώδη, η κατανομή της μέσης συγκέντρωσης του ιζήματος, η εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα και η επίδραση της μεταβολής της στην ανάπτυξη της τύρβης, στην κατανομή της διατμητικής τάσης πυθμένα και στη μεταφορά ιζήματος. 3. Σκοπιμότητα, σημασία και συμβολή του προγράμματος Η βασική καινοτομία της προτεινόμενης έρευνας είναι η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης τυρβώδους ροής, που προκαλείται κατά τη θραύση κυμάτων στην παράκτια ζώνη, μεταφοράς ιζήματος κλίνης και σε αιώρηση και εξέλιξης της μορφολογίας πυθμένα. Η παρούσα πρόταση έχει σκοπό την αναβάθμιση των μεθόδων πρόβλεψης της συμπεριφοράς κυμάτων και μεταφοράς ιζήματος στην παράκτια ζώνη με τη χρήση της αριθμητικής προσομοίωσης. Η συγκεκριμένη ροή περιλαμβάνει πολύπλοκα φαινόμενα, όπως τη μη γραμμική παραμόρφωση της ελεύθερης επιφάνειας, τη δημιουργία και διάδοση στροβιλότητας, τύρβης, φυσαλίδων και αφρού από τη θραύση κύματος, την τυρβώδη μεταφορά ιζήματος σε αιώρηση, τη μεταφορά ιζήματος κλίνης και τη συνεπαγόμενη μεταβολή της μορφολογίας του πυθμένα. Η πολυπλοκότητα και η ταυτόχρονη επίδραση αυτών των φαινομένων καθιστά δύσκολη την πρόβλεψή τους με θεωρητικές παραδοχές και τη μέτρησή τους με πειράματα κλίμακας Froude. Η εφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης παρέχει καλύτερη ακρίβεια και μεγαλύτερο εύρος αποτελεσμάτων από τις θεωρητικές προβλέψεις επειδή βασίζονται σε μικρό αριθμό παραδοχών όσον αφορά τα φαινόμενα της ροής και τη γεωμετρία του προβλήματος. Η εφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης υπερτερεί και ως προς τις πειραματικές μετρήσεις καθώς τα φαινόμενα της ροής στην παράκτια ζώνη εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συνεκτικότητα του ρευστού και από την επιφανειακή τάση, γεγονός που καθιστά προβληματική τη μεταφορά προβλέψεων από την κλίμακα των πειραματικών μετρήσεων στην κλίμακα του πεδίου. Επιπρόσθετα, η μέθοδος αριθμητικής προσομοίωσης πρέπει να κινείται σε λογικά επίπεδα από άποψη υπολογιστικού κόστους και αυτό σημαίνει ότι πρέπει να εμπεριέχει κάποιο επίπεδο μοντελοποίησης και παραδοχών. Στο παρόν πρόγραμμα προτείνεται η χρήση της μεθόδου LWS (Dimas & Fialkowski 2000), που αρχικά αναπτύχθηκε για την επίτευξη της αριθμητικής προσομοίωσης ροών ελεύθερης επιφάνειας που αναπτύσσουν θραυόμενα κύματα στο θαλάσσιο περιβάλλον, όπου αγνοείται η επίδραση του πυθμένα. Τα αποτελέσματα του παρόντος προγράμματος θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε αυτούσια, για την πρόβλεψη ροών, είτε στο πλαίσιο υπαρχόντων θεωρητικών προβλέψεων, για τη βελτιστοποίηση μοντέλων. 4. Βιβλιογραφία Battjes, J. A., Surf-zone dynamics. Annu. Rev. Fluid Mech. 20,

7 Bradford, S. F., Numerical simulation of surf zone dynamics. J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. 126 (1), Briganti, R., Musumeci, R. E., Bellotti, G., Brocchini, M., Foti, E., Boussinesq modeling of breaking waves: Description of turbulence. J. Geophys. Res. 109 (C), C Christensen, E. D., Large eddy simulation of spilling and plunging breakers. Coast. Eng. 53 (5-6), Christensen, E. D., Deigaard, R., Large eddy simulation of breaking waves. Coast. Eng. 42 (1), de Serio, F., Mossa, M., Experimental study on the hydrodynamics of regular breaking waves. Coast. Eng. 53 (1), Dimas, A. A., Dimakopoulos, A. S., A surface roller model for the numerical simulation of spilling wave breaking constant slope beach. J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. 135 (5), Dimas, A. A., Fialkowski, L. T., Large-wave simulation (LWS) of free surface flows developing weak spilling breaking waves. J. Comput. Phys. 159 (2), Fredsøe, J., Deigaard, R., Mechanics of coastal sediment transport. World Scientific, Singapore. Hieu, P. D., Tanimoto, K., Ca, V. T., Numerical simulation of breaking waves using a two phase flow model. Appl. Math. Modelling 28, Huang, Z.-C., Hsiao, S.-C., Hwung, H.-H., Chang, K.-A., Turbulence and energy dissipations of surf-zone spilling breakers. Coast. Eng. 56 (7), Karambas, T. V., Koutitas, C., A breaking wave-propagation model based on the Boussinesq equations. Coast. Eng. 18 (1-2), Karambas, T. V., Koutitas, C., Surf and swash zone morphology evolution induced by nonlinear waves. J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. 128 (3), Lin, P., Liu, P. L. F., A numerical study of breaking waves in the surf zone. J. Fluid Mech. 359, Longo, S., Vorticity and intermittency within the pre-breaking region of spilling breakers. Coast. Eng. 56 (3), Madsen, P. A., Sorensen, O. R., Schaffer, H. A., Surf zone dynamics simulated by a Boussinesq type model. Part I. Model description and crossshore motion of regular waves. Coast. Eng. 32 (4), Musumeci, R. E., Svendsen, I. A., Veeramony, J., The flow in the surf zone: a fully nonlinear Boussinesq-type of approach. Coast. Eng. 52 (7), Nam, P. T., Larson, M., Hanson, H., Hoan, L. X., A numerical model of nearshore waves, currents, and sediment transport. Coast. Eng. 56, Peregrine, D. H., Breaking waves on beaches. Annu. Rev. Fluid Mech. 15, Rogallo, R. S., Moin, P., Numerical simulation of turbulent flows. Ann. Rev. Fluid Mech. 16, Schaffer, H. A., Madsen, P. A., Deigaard, R., A Boussinesq model for waves breaking in shallow water. Coast. Eng. 20 (3-4), Ting, F. C. K., Kirby, J. T., Observation of undertow and turbulence in a laboratory surf zone. Coast. Eng. 24, Ting, F. C. K., Kirby, J. T., Dynamics of surf-zone turbulence in a spilling breaker. Coast. Eng. 27 (3-4),

8 Torres-Freyermuth, A., Losada, I. J., Lara, J. L., Modeling of surf zone processes on a natural beach using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations. J. Geophys. Res. 112 (C09014), Watanabe, Y., Saeki, H., Hosking, R. J., Three-dimensional vortex structures under breaking waves. J. Fluid Mech. 545 ( ). Zhao, Q., Armfield, S., Tanimoto, K., Numerical simulation of breaking waves by a multi-scale turbulence model. Coast. Eng. 51 (1), Ε. ΧΡΟΝΟΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Η συνολική διάρκεια εκτέλεσης του έργου είναι τρία έτη. Το χρονοδιάγραμμα εκτέλεσης του έργου δίδεται στον Πίνακα 1. Στο έργο προβλέπεται να απασχοληθούν δύο μεταπτυχιακοί φοιτητές. Ο πρώτος φοιτητής, ο οποίος ιδανικά θα είναι υποψήφιος διδάκτωρ, θα εργασθεί στις φάσεις 1 και 3 του έργου, οι οποίες απαιτούν την εφαρμογή προσομοίωσης LWS και ανάπτυξη εξ ολοκλήρου νέου λογισμικού. Ο δεύτερος φοιτητής, ο οποίος ιδανικά θα είναι υποψήφιος Μ.Δ.Ε., θα εργασθεί στη φάση 2 του έργου όπου δεν απαιτείται η εφαρμογή προσομοίωσης LWS αλλά επέκταση υπάρχοντος λογισμικού για τη διάδοση των κυμάτων, από προηγούμενη διατριβή, ώστε να συμπεριλάβει μεταφορά ιζήματος και εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα. Για τις υπολογιστικές ανάγκες του προγράμματος θα γίνει χρήση των υπολογιστών του Εργαστηρίου Υδραυλικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, στο οποίο ανήκει ο ΕΥ. Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του έργου, τα σημαντικότερα αποτελέσματα θα παρουσιάζονται σε διεθνή ή εθνικά συνέδρια και θα αναρτώνται σε ειδική θέση του ιστοτόπου του Εργαστηρίου. Πίνακας 1. Χρονοδιάγραμμα εκτέλεσης των προτεινομένων εργασιών. Διάρκεια (μήνες) Εργασία Ανάπτυξη λογισμικού 1 ης φάσης Χ Χ Εκτέλεση προσομοιώσεων 1 ης φάσης Χ Χ Χ Ανάπτυξη λογισμικού 2 ης φάσης Χ Εκτέλεση προσομοιώσεων 2 ης φάσης Χ Χ Χ Ανάπτυξη λογισμικού 3 ης φάσης Χ Εκτέλεση προσομοιώσεων 3 ης φάσης Χ Χ Χ ΣΤ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Το συνολικό κόστος του έργου αναλύεται στις υποτροφίες των δύο μεταπτυχιακών φοιτητών και στα έξοδα μετακίνησης για συμμετοχή σε διεθνή ή εθνικά συνέδρια. Το κόστος τυχόν αναλωσίμων θα καλυφθεί από τις πιστώσεις του Εργαστηρίου. Ζ. ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ ΚΑΘΕ ΜΕΛΟΥΣ (Επισυνάπτονται πλήρη βιογραφικά) Η ερευνητική ομάδα θα αποτελείται από τον ΕΥ, του οποίου επισυνάπτεται πλήρες βιογραφικό, και δύο μεταπτυχιακούς φοιτητές του Προγράμματος 8

9 Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών στην κατεύθυνση «Υδατικοί Πόροι και Περιβάλλον». Η. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΤΕΛΕΥΤΑΙΑΣ ΤΡΙΕΤΙΑΣ Διερεύνηση επίδρασης προτεινομένου καταφυγίου τουριστικών σκαφών Πεντατίου στη διάδοση κυμάτων και τη μεταφορά ιζήματος μέσω αριθμητικής προσομοίωσης. Χρηματοδότηση: ΤΟΜΗ Α.Ε.Μ.Ε.Υ. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: 2009 Διερεύνηση αποτελεσματικότητας παράλληλου κυματοθραύστη για την προστασία ακτής στα Λεγραινά Αττικής μέσω αριθμητικής προσομοίωσης κυμάτων ρευμάτων και μεταφοράς ιζήματος. Χρηματοδότηση: ECC Α.Ε. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: 2009 Διερεύνηση Χαρακτηριστικών Ροής Ύδατος σε Εργαστηριακό Ομοίωμα Μονάδας Υδροληψίας Αντλιών Ψύξης. Χρηματοδότηση: ΜΕΤΚΑ Α.Ε. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: 2009 Μετρήσεις Θερμοκρασίας Υδάτων και Ταχύτητας Ρευμάτων στη Θαλάσσια Ζώνη του Όρμου Αλιβερίου του Νοτίου Ευβοϊκού Κόλπου στη Θέση της Υπό Σχεδιασμό Λιθανθρακικής Μονάδας. Χρηματοδότηση: ΔΕΗ Α.Ε. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: 2008 Αριθμητική Διερεύνηση Διασποράς και Διάχυσης Θερμού Ύδατος Επιφανειακής Εκροής στη Θαλάσσια Ζώνη του Όρμου Αλιβερίου του Νοτίου Ευβοϊκού Κόλπου. Χρηματοδότηση: ΔΕΗ Α.Ε. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: 2008 Αριθμητική Προσομοίωση Κυμάτων, Κυματογενών Ρευμάτων και Στερεομεταφοράς στη Δυτική Ακτή του Συγκροτήματος Grand Resort Lagonissi. Χρηματοδότηση: Αττικός Ήλιος Α.Ε. Προϋπολογισμός: Διάρκεια: Αριθμητική Προσομοίωση Κυμάτων, Κυματογενών Ρευμάτων και Στερεομεταφοράς στον Όρμο Θέρμα της Νήσου Ικαρίας. Χρηματοδότηση: Δήμος Αγίου Κηρύκου Ικαρίας Προϋπολογισμός: Διάρκεια:

10 Π Ρ Ο Υ Π Ο Λ Ο Γ Ι Σ Μ Ο Σ Δ Α Π Α Ν Ω Ν 1. ΥΠΟΤΡΟΦΙΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΙ ΦΟΙΤΗΤΕΣ (82 %) ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ Μεταπτυχιακός Φοιτητής Υποψήφιος Διδάκτωρ Μεταπτυχιακός Φοιτητής Υποψήφιος ΜΔΕ ΜΗΝΕΣ ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΔΑΠΑΝΗ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗΣ ΑΜΟΙΒΗ ΑΝΑΛΩΣΙΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΟΣΟ 3. ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Συμμετοχή των φοιτητών και του ΕΥ σε διεθνή ή εθνικά συνέδρια ΠΟΣΟ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΔΑΠΑΝΗ ΕΡΓΟΥ

11 Βιογραφικό Επιστημονικού Υπευθύνου Προσωπικά στοιχεία Επώνυμο Όνομα Θέση στο Ίδρυμα Τμήμα Δήμας Αθανάσιος Αναπληρωτής Καθηγητής Πολιτικών Μηχανικών Τηλέφωνο επικοινωνίας , 6599 Έτος Ίδρυμα Τίτλος (πτυχίο, διδακτορικό) 1991 MIT Διδακτορικό 1988 MIT MSc 1985 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Δίπλωμα Κύρια ερευνητική δραστηριότητα Αριθμητική προσομοίωση τυρβωδών και κυματογενών ροών. Επιστημονικές εργασίες τα τελευταία 7 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές) Dimas, A.A. and Dimakopoulos, A.S., A Surface-Roller Model for the Numerical Simulation of Spilling Wave Breaking Over Constant Slope Beach. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering (ASCE) 135, Grigoridis, D.G.E., Balaras, E. and Dimas, A.A., Large-Eddy Simulations of Unidirectional Water Flow Over Dunes. Journal of Geophysical Research, 114, F Dimas, A.A., Fourniotis, N.T., Vouros, A. and Demetracopoulos, A.C., Effect of Bed Dunes on Spatial Development of Open-Channel Flow. Journal of Hydraulic Research (IAHR) 46, Dimas, A.A., Discussion on the Numerical Simulation of Wave-Induced Laminar Boundary Layers. Coastal Engineering 55, Drosos, G.C., Dimas, A.A. and Karabalis, D.L., Discrete Models for Seismic Analysis of Liquid Storage Tanks of Arbitrary Shape and Fill Height. Journal of Pressure Vessel Technology 130(041801), Dimas, A.A., Large-Wave Simulation of Microscale Breaking Waves Induced by a Free- Surface Drift Layer. Wave Motion 44, Dimas, A.A., Mowili, B.M., and Piomelli, U., Large-Eddy Simulation of Subcritical Transition in an Attachment-Line Boundary Layer. Computers and Mathematics with Applications 46, Επιστημονικές εργασίες στο αντικείμενο της πρότασης τα τελευταία 10 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές, συμπεριλαμβανομένων σχετικών επίσης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, βιβλίων, βραβείων, κ.ά.) Dimas, A.A., Lottati, I., Bernard, P.S., Collins, J.P. and Geiger, J.C., Apparatus for and Method of Simulating Turbulence. United States Patent No. 6,512,

12 Dimas, A.A. and Kolokythas, G.A., Reynolds Number Effect on Spatial Development of Viscous Flow Induced by Wave Propagation Over Bed Ripples. In Advances in Environmental Fluid Mechanics. Editors: Dragutin T. Mihailovic and Carlo Gualtieri. World Scientific, Singapore. Dimas, A.A. and Dimakopoulos, A.S., A Surface-Roller Model for the Numerical Simulation of Spilling Wave Breaking Over Constant Slope Beach. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering (ASCE) 135, Grigoridis, D.G.E., Balaras, E. and Dimas, A.A., Large-Eddy Simulations of Unidirectional Water Flow Over Dunes. Journal of Geophysical Research, 114, F Dimas, A.A., Fourniotis, N.T., Vouros, A. and Demetracopoulos, A.C., Effect of Bed Dunes on Spatial Development of Open-Channel Flow. Journal of Hydraulic Research (IAHR) 46, Dimas, A.A., Discussion on the Numerical Simulation of Wave-Induced Laminar Boundary Layers. Coastal Engineering 55, Drosos, G.C., Dimas, A.A. and Karabalis, D.L., Discrete Models for Seismic Analysis of Liquid Storage Tanks of Arbitrary Shape and Fill Height. Journal of Pressure Vessel Technology 130(041801), Dimas, A.A., Large-Wave Simulation of Microscale Breaking Waves Induced by a Free- Surface Drift Layer. Wave Motion 44, Dimas, A.A., Mowili, B.M., and Piomelli, U., Large-Eddy Simulation of Subcritical Transition in an Attachment-Line Boundary Layer. Computers and Mathematics with Applications 46, Dimas, A.A. and Fialkowski, L.T., Large-Wave Simulation (LWS) of Free-Surface Flows Developing Weak Spilling Breaking Waves. Journal of Computational Physics 159, Αριθμός ετεροαναφορών και σημαντικές διεθνείς συνεργασίες: 92 ετεροαναφορές σε περιοδικά του ISI και συνεργασία με τον Αναπληρωτή κ. Ηλία Μπαλαρά του University of Maryland, College Park, USA, σε θέματα της μεθόδου προσομοίωσης μεγάλων δινών, LES. Συνολικός αριθμός δημοσιεύσεων σε περιοδικά: