ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΣΕ ΥΦΑΛΟ ΦΥΣΙΚΟ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΣΟΥΝΙΟΥ Α. Ζήρος Υποψήφιος διδάκτορας Ε.Μ.Π. Μ. Μαντέλου, Πολιτικός Μηχανικός Ε.Μ.Π. Κ. Μέμος, Καθηγητής Ε.Μ.Π, Ε.Λ.Ε. Εργαστήριο Λιμενικών Έργων (Ε.Λ.Ε.) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 5, 157 30 Ζωγράφου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το 2012 το εργαστήριο Λιμενικών Έργων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου ξεκίνησε μία ολοκληρωμένη μελέτη στο πεδίο ενός φυσικού ύφαλου κυματοθραύστη, όσον αφορά τις μηχανικές και τις περιβαλλοντικές του ιδιότητες, ο οποίος βρίσκεται στην περιοχή «Χάρακας» του Σουνίου. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν κατά τους θερινούς μήνες του 2013 μετρήσεις των ταχυτήτων ροής με χρήση μηχανικού μυλίσκου. Συγκεκριμένα, καταγράφηκαν χρονοσειρές της απόλυτης ταχύτητας περιμετρικά, στην στέψη και μερικώς εντός του σώματος του κυματοθραύστη, υπό διάφορες κυματικές συνθήκες. Οι μετρήσεις ανέδειξαν το σημαντικό ρόλο της γεωμετρίας μικρής κλίμακας, η οποία δημιουργεί τοπικά τύρβη με αποτέλεσμα να εμφανίζονται ταχύτητες υψηλότερες του αναμενομένου.
VELOCITY MEASUREMENTS OVER A SUBMERGED NATURAL BREAKWATER AT SOUNION AREA A.Ziros, PhD Candidate N.T.U.A M. Mandelou, Civil Engineer C. Memos, Professor N.T.U.A Laboratory of Harbour Works (L.H.W.) Department of Civil Engineering. National Technical University of Athens (N.T.U.A.) 5 Iroon Polytechniou, 157 30 Zografou, Greece, tel. +30-10-7722367, e-mail: lhw@central.ntua.gr SUMMARY In summer 2013, NTUA Laboratory of Harbors works launched a project to study in situ the velocity field around a natural submerged permeable breakwater. The absolute velocity was recorded around, on top and partially inside the breakwater s body using a mechanical velocimeter under different wave conditions. In order to evaluate the field data a 2D Boussinesq type computational model has been used for comparison. Preliminary results show that computed velocities are significantly lower, especially within the freeboard zone. This can be attributed to the fact that small scale geometry which enhances turbidity is not simulated by the model.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται μετρήσεις ταχυτήτων με χρήση μηχανικού μυλίσκου καθώς και η σύγκριση των μετρήσεων αυτών με δύο υπολογιστικά μοντέλα, το Mike 21 και ένα μονοδιάστατο μοντέλο τύπου Boussinesq. Η επιλογή του μυλίσκου πρόκειται για μία εναλλακτική προσέγγιση για μετρήσεις πεδίου που χαρακτηρίζεται από την ευκολία εφαρμογής σε νερά με πολύ μικρό βάθος και το μικρό κόστος κτήσης. Αντίστοιχα η επιλογή του μονοδιάστατου μοντέλου χαρακτηρίζεται από την ευκολία στην εισαγωγή της γεωμετρίας και την ταχύτητα παραγωγής των αποτελεσμάτων. 2. ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ Αντικείμενο μελέτης ήταν ένας φυσικός ύφαλος κυματοθραύστης (εικόνα 1) σε ρηχά νερά στην περιοχή «Χάρακας» του Σουνίου. Η στέψη του βρίσκεται υπό τη μέση στάθμη της θάλασσας, ωστόσο κατά την άμπωτη γίνεται μερικώς έξαλος. Εικόνα 1. Υποβρύχια λήψη του κυματοθραύστη Το κυρίως σώμα του δομείται από λίθους με μέση διάμετρο D 50 = 0.4m, οι οποίοι συνδέονται με συντρίμματα και φυσικό σκυρόδεμα, δημιουργώντας έτσι ένα συνεχές πορώδες μέσο.
Εκτείνεται κάθετα στην ακτογραμμή σε συνολικό μήκος περίπου 50 μέτρων, ενώ το πλάτος του μεταβάλλεται από 3 έως 5 μέτρα, χωρίς σταθερή τάση. Το βάθος της θάλασσας κυμαίνεται από 0.5 έως 3.5 μέτρα στο πλέον κατάντη τμήμα του. Το ελεύθερο περιθώριο στη ζώνη των μετρήσεων επάνω από τη στέψη είναι σχετικά μικρό (0.1-0.4m) και συνεπώς η αναλογία ύψους προς βάθος νερού κυμαίνεται από 0.6 έως 0.85. 3. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Ένας μηχανικός μυλίσκος με ψηφιακή οθόνη σε συνδυασμό με μία βιντεοκάμερα χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή των μετρήσεων. Ο μυλίσκος αποδίδει τον συνολικό αριθμό των στροφών και η κάμερα καταγράφει την μεταβολή του στο χρόνο. Ύστερα από τη σχετική επεξεργασία της καταγραφής σε πρόγραμμα λογιστικού φύλλου Η/Υ βάσει της βαθμονόμησης του οργάνου, προκύπτει η χρονοσειρά της απόλυτης ταχύτητας. Κάθε χρονοσειρά έχει διάρκεια 60 δευτερολέπτων με ελάχιστη συχνότητα δειγματοληψίας έως 0.05Hz. Η επιλογή του μυλίσκου έναντι άλλων ρευματογράφων έγινε βάσει των παρακάτω παραμέτρων. Το βάθος στο οποίο απαιτείται η καταγραφή των ταχυτήτων είναι πολύ μικρό, κυμαίνεται από 0.1m-0.4m με αποτέλεσμα να μη μπορούν να χρησιμοποιηθούν ηχοβολιστικά όργανα μέτρησης. Το ακόντιο του οργάνου μπορεί να τοποθετεί σε οπές ή εξάρσεις εντός του σώματος του κυματοθραύστη, ενώ η φτερωτή μπορεί εύκολα να προσανατολιστεί στην διεύθυνση διάδοσης του κυματισμού. Το όργανο είναι πλήρως αυτόνομο σε συνδυασμό με την βιντεοκάμερα και δεν απαιτεί καλωδιώσεις ή άλλη εγκατάσταση. Έχει πολύ μικρό κόστος προμήθειας. Το μειονέκτημα της μικρής ακρίβειας του οργάνου σε χαμηλές ταχύτητες (<0.15m/s) δεν επηρεάζει το αντικείμενο της μελέτης καθώς αυτό επικεντρώνεται στις μέγιστες ταχύτητες (0.3-1.5m/s), όπου η ακρίβεια του οργάνου είναι πολύ καλή. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε 20 διαφορετικά σημεία κατά μήκος του κυματοθραύστη, γραμμικά διατεταγμένα σε χαρακτηριστικές διατομές, ούτως ώστε να αποτυπώνεται κατά το δυνατόν καλύτερα η χωρική μεταβολή των ταχυτήτων και επαναλήφθηκαν σε διάφορες ημερομηνίες ώστε να καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα κυματικών συνθηκών. Τα χαρακτηριστικά του επερχόμενου κυματισμού (ύψος, περίοδος) εκτιμήθηκαν με οπτικές παρατηρήσεις σε βαθμονομημένη σταδία (Μαντέλου 2014).
Ταχύτητα V (m/sec) 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το σχήμα 1 παρουσιάζει τις χρονοσειρές των απόλυτων τιμών των ταχυτήτων για δύο διαδοχικά σημεία μέτρησης επί μίας διατομής, το σημείο 35 στο φρύδι του προσήνεμου πρανούς και το σημείο 33 στο φρύδι του υπήνεμου πρανούς περίπου στο μέσο του κυματοθραύστη. Αντίστοιχα αποτελέσματα εμφανίζονται και στις υπόλοιπες διατομές που μελετήθηκαν. Οι κυματικές συνθήκες την ημέρα μέτρησης ήταν: χαρακτηριστικό ύψος κύματος Ηs=0.30m, μέση περίοδος Τ=4 sec και διεύθυνση διάδοσης 30 ο σε σχέση με τον άξονα του έργου. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Σημείο 35 Σημείο 33 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 Χρόνος t (sec) Σχήμα 1. Χρονοσειρές ταχυτήτων στο υπήνεμο(33) και προσήνεμο(35) σημείο μέτρησης Παρατηρούμε ότι: Η μέση τιμή της ταχύτητας στην προσήνεμη πλευρά ήταν κατά 31% μεγαλύτερη σε σύγκριση με την υπήνεμη πλευρά. Το γεγονός αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι υπάρχει σημαντική καταστροφή ενέργειας επί της στέψης του κυματοθραύστη. Οπτικές παρατηρήσεις κατά την διάρκεια των μετρήσεων επιβεβαιώνουν την καταστροφή της ενέργειας επί της στέψης καθώς και της εμφάνισης έντονα στροβιλώδους ροής (εικόνα 2). Το ποσοστό της καταστρεφόμενης ενέργειας είναι υψηλό και ενδεικτικά υπολογιζόμενο βάσει του όρου V 2, ξεπερνά το 60%. Η μέγιστη ταχύτητα στην προσήνεμη πλευρά παρουσιάζει σημαντικές εξάρσεις με
περίοδο εμφάνισης περίπου 10sec, οι οποίες ενδεχομένως να οφείλονται στον μετασχηματισμό της μορφής του κύματος καθώς πλησιάζει στον ύφαλο (παύση γραμμικής διάδοσης, τυρβώδης ροή, εφόρμηση μεταφορά μάζας στη στέψη). Η μέση περίοδος της ταλάντωσης από Τ=4sec που αντιστοιχεί στην θεωρητική αρμονική ταλάντωση του κυματισμού στα βαθειά αυξάνεται σε 5sec. Εικόνα 2. Μετασχηματισμός του κύματος και καταστροφή ενέργειας στη στέψη του κυματοθραύστη. 5. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ MIKE 21 5.1 ΜΕΣΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ Για την αξιολόγηση των μετρήσεων πεδίου αποφασίστηκε η προσομοίωση του υδροδυναμικού πεδίου γύρω από τον κυματοθραύστη με χρήση του προγράμματος MIKE 21 (DHI). Το σχήμα 2 παρουσιάζει την σύγκριση της μέσης απόλυτης ταχύτητας για 5 διαφορετικά σημεία μέτρησης γραμμικά διατεταγμένα κατά μήκος της προσήνεμης πλευράς του κυματοθραύστη. Είναι εμφανές ότι η μέση ταχύτητα που υπολογίζεται από το μοντέλο είναι κατά 10-15% μεγαλύτερη.
Maximum velocity m/s Average velocity m/s 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Station 1 Station 2 Station 3 Station 4 Station 5 Σχήμα 2. Σύγκριση μέσων ταχυτήτων MIKE21 ΠΕΔΙΟ 5.2 ΜΕΓΙΣΤΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μέγιστες ταχύτητες που μετρήθηκαν στο πεδίο είναι υψηλότερες από αυτές του υπολογιστικού μοντέλου κατά 20% (σχήμα 3). Μία αρχική εξήγηση του φαινομένου αυτού είναι η εμφάνιση ισχυρής τύρβης, η οποία ήταν οπτικά εμφανής στο πεδίο λόγω των επιδράσεων της γεωμετρίας μικρής κλίμακας (οπές, απότομες αλλαγές κλίσης, ανομοιομορφία πορώδους μέσου). Το μοντέλο δεν μπορεί να προσομοιώσει επαρκώς τις επιδράσεις αυτές με έτσι οι υπολογιζόμενες ταχύτητες είναι μικρότερες. 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Station 1 Station 2 Station 3 Station 4 Station 5 Σχήμα 3. Σύγκριση μεγίστων ταχυτήτων MIKE21 ΠΕΔΙΟ
V(m/sec) 6. Σύγκριση με μοντέλο τύπου Bousinessq Η δεύτερη σύγκριση με το μονοδιάστατο μοντέλο Bousinessq (Chondros&Memos 2012) έγινε για δύο συγκεκριμένα σημεία, ένα στο προσήνεμο φρύδι του πρανούς και ένα στο υπήνεμο. Το πρόγραμμα έχει την δυνατότητα να εξάγει την χρονοσειρά ταχυτήτων για το εκάστοτε σημείο και αυτή συγκρίνεται απευθείας με τις πειραματικές μετρήσεις. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 BOUSINESSQ ΠΕΔΙΟ 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 t (sec) Σχήμα 4. Σύγκριση για το προσήνεμο σημείο Το σχήμα 4 παρουσιάζει την σύγκριση για το προσήνεμο σημείο μέτρησης για κυματικές συνθήκες Η=0.25m, T=4s. Όσον αφορά τiς μέγιστες ταχύτητες που εμφανίζονται, το πρόγραμμα δεν μπορεί να προσομοιάσει τις μεγάλες κορυφές που εμφανίζονται και δίνει κατά 15% μικρότερες τιμές. Αντίθετα η μέση τιμή της απόλυτης ταχύτητας προκύπτει 0,22m/s για το μοντέλο και 0,18m/s για τις μετρήσεις. Το σχήμα 5 παρουσιάζει την σύγκριση για το υπήνεμο σημείο μέτρησης για τις ίδιες κυματικές συνθήκες. Όσον αφορά της μέγιστες ταχύτητες που εμφανίζονται, το πρόγραμμα αποδίδει μεγαλύτερες κορυφές σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα κατά 10%. Το γεγονός αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα όσα προέκυψαν προηγουμένως για το προσήνεμο σημείο σύγκρισης. Η μέση τιμή της απόλυτης ταχύτητας προκύπτει ίση με 0,25m/s από το μοντέλο και 0,17m/s για τις μετρήσεις, διαφορά σημαντικά μεγαλύτερη από ότι είχε υπολογιστεί για το προσήνεμο πρανές.
V(m/sec) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 BOUSINESSQ ΠΕΔΙΟ 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 t (sec) Σχήμα 5. Σύγκριση για το υπήνεμο σημείο 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ Η χρήση μηχανικού μυλίσκου φαίνεται ότι αποτελεί μία εύκολη, φθηνή και αρκετά αξιόπιστη μέθοδο για τις μετρήσεις ταχυτήτων κοντά στο σώμα ενός ύφαλου κυματοθραύστη, σε σημεία δηλαδή όπου τα όργανα τύπου Doppler δεν είναι δυνατόν να τοποθετηθούν. Το συμπέρασμα αυτό είναι ιδιαίτερα ισχυρό για τις μέγιστες ταχύτητες (0.3-1.5m/s), στο εύρος των οποίων o μηχανικός μυλίσκος αποδίδει καλύτερα. Η παραγόμενη ακρίβεια των αποτελεσμάτων των υπολογιστικών μοντέλων όπως προκύπτει μέσα από τις συγκρίσεις με τις μετρήσεις είναι ικανοποιητική και κυμαίνεται για τις μέγιστες τιμές σε ένα ποσοστό 10-15%. Οι ταχύτητες στο προσήνεμο πρανές και επί της στέψης εμφανίζονται μεγαλύτερες του αναμενομένου όπως προκύπτει από τη σύγκριση τόσο με το μοντέλο MIKE21 όσο και με το 1D Βοusinessq. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην γεωμετρία μικροκλίμακας η οποία δημιουργεί τυρβώδη ροή, όπως ήταν άμεσα ορατό στο πεδίο. Αντίθετα στο υπήνεμο πρανές οι ταχύτητες του μοντέλου ήταν σημαντικά μεγαλύτερες, των μετρήσεων γεγονός που αποδεικνύει ότι δεν προσομοιώνεται επαρκώς ο μηχανισμός καταστροφής ενέργειας.
Οι χρονοσειρές των ταχυτήτων που ελήφθησαν θα χρησιμοποιηθούν μελλοντικά για την αξιολόγηση των βιολογικών δειγμάτων σκληρού υποστρώματος που συλλέχθηκαν από το κυματοθραύστη, καθόσον το κυματικό κλίμα είναι σημαντικός παράγοντας για την ανάπτυξη του βένθους. Σε μία πρώτη προσέγγιση φαίνεται ότι οι υψηλές ταχύτητες στα ανάντη και ιδιαίτερα στη στέψη του κυματοθραύστη ευνόησαν την πυκνότητα και των αριθμό των ειδών που κατεγράφησαν. Αντίθετα η χαμηλές ταχύτητες των υδάτων στην υπήνεμη πλευρά σε συνδυασμό με τις ανθρωπογενείς δράσεις που αναπτύσσονται εκεί οδηγούν σε συρρίκνωση την βενθική κοινότητα. Βιβλιογραφία Μ.Μαντέλου (2014), Μελέτη Υδροδυναμικού πεδίου ύφαλου φυσικού κυματοθραύστη, διπλωματική εργασία. Metallinos, A.S., Memos, C.D., (2012). Wave-induced kinematics inside submerged porous structures ', Journal of Hydraulic Research, 50(4), 388 394. Chondros, M.K., Memos, C.D., (2012). 'A highly nonlinear Boussinesq wave model of improved dispersion characteristics ', Proc. of the 22nd International Offshore and Polar Engineering Conference, Rhodes, Greece, 3, 1179-1185.