Προηγμένο μαθηματικό ομοίωμα πλήρους περιγραφής υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών διεργασιών στην παράκτια ζώνη

Abstract

An advanced numerical model, fully describing the hydro- and morphodynamic processes in the coastal zone, has been developed and implemented in the present thesis. The model consists of two independent models, a hydro- and a morphodynamic one, with the former being a RANS model, developed on the OpenFOAM platform for the wave propagation and yields the accurate hydrodynamic state of any given geometry, while the latter yields the sediment transport rates as well as the seabed morphology evolution.The method developed and implemented in the present thesis is iterative, in terms of continuously switching between the two models until the morphological equilibrium state is reached. In other words, the first model is applied with any given initial geometry and wave conditions, resulting in the hydrodynamic characteristics of the flow, which are taken as data and used by the second model to calculate the sediment transport rates and yield the new morphological cross-shore profile. The new bathymetry, which is the result of the second model, is used by the first model, which is applied again for the new bathymetry and the given wave conditions, resulting again in a new hydrodynamic field for the new geometry. The new hydrodynamic results are used by the second model, which once again updates the seabed profile. This process is repeated until convergence, namely the updated seabed profile is practically the same (no significant changes) with the one of the previous steps. In that case, the process is ended and the equilibrium profile of the seabed has been achieved.The method described above, has been successfully implemented for the cases of cross-shore profile evolution with any given steep slopes in the surf and swash zones, scour in front of vertical breakwaters, and dunes erosion due to overtopping and overwash. Model results are compared satisfactorily with experimental data.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται ένα σύγχρονο μαθηματικό μοντέλο περιγραφής τόσο των υδροδυναμικών αλλά και μορφοδυναμικών διεργασιών στην παράκτια ζώνη, το οποίο συνίσταται στον συνδυασμό δύο επιμέρους μαθηματικών μοντέλων. Το πρώτο εξ’αυτών, είναι RANS υδροδυναμικό μοντέλο, αναπτύσσεται στην πλατφόρμα της εργαλειοθήκης OpenFOAM και αποδίδει με λεπτομέρεια την υδροδυναμική κατάσταση των περιοχών μελέτης. Το δεύτερο, μορφοδυναμικό μοντέλο, αποδίδει τη νέα μορφολογία πυθμένα υπό συγκεκριμένο υδροδυναμικό πεδίο, όπως αυτό προκύπτει από την εκτέλεση του υδροδυναμικού μοντέλου. H μέθοδος που εφαρμόζεται στην παρούσα διατριβή επομένως είναι επαναληπτική, με την έννοια της συνεχούς εναλλάξ εκτελεστικής διαδικασίας των δύο μοντέλων, μέχρι την επίτευξη του μορφολογικού κάθετου στην ακτή προφίλ ισορροπίας. Δηλαδή, εκτελείται αρχικά το υδροδυναμικό μοντέλο με βάση την αρχική μορφολογία πυθμένα/ακτής υπό δεδομένες κυματικές συνθήκες, και αποδίδει το επικρατούν υδροδυναμικό πεδίο για τη συγκεκριμένη βαθυμετρία. Τα αποτελέσματα του υδροδυναμικού μοντέλου εισάγονται πλέον ως δεδομένα στο μορφοδυναμικό μοντέλο, το οποίο πλέον με τη σειρά του εκτελείται για τον υπολογισμό της στερεομεταφοράς και εν τέλει της νέας μορφολογίας πυθμένα. Η νέα αυτή μορφολογία πυθμένα εισάγεται εκ νέου στο υδροδυναμικό μοντέλο, το οποίο εκτελείται ξανά για τη νέα μορφολογία πυθμένα και αποδίδει το νέο υδροδυναμικό πεδίο που δημιουργείται για τη νέα γεωμετρία. Τα αποτελέσματα του υδροδυναμικού μοντέλου εισάγονται στο μορφοδυναμικό μοντέλο και πάλι, το οποίο αποδίδει ανανεωμένη μορφολογία πυθμένα. Η επαναληπτική διαδικασία συνεχίζεται έως ότου η ανανεωμένη μορφολογία πυθμένα που αποδίδει το μορφοδυναμικό μοντέλο είναι σχεδόν η ίδια (με μικρή διαφοροποίηση σε όρια ανοχής) με αυτή των αμέσως προηγούμενων επαναλήψεων. Σε αυτή την περίπτωση τερματίζεται η διαδικασία αφού έχει επέλθει ισορροπία. Στην παρούσα διατριβή, το μαθηματικό μοντέλο εφαρμόστηκε επιτυχώς σε απότομες κλίσεις πυθμένα, τόσο στη ζώνη θραύσης όσο και στη ζώνη διαβροχής, καθώς επίσης και στην περίπτωση διάβρωσης μπροστά σε κατακόρυφους κυματοθραύστες αλλά και σε τεχνητά αναχώματα.