Πειραματική διερεύνηση της τυρβώδους ροής λόγω αλληλεπίδρασης θαλασσίων κυμάτων και ίσαλων κυματοθραυστών με πρανή φυσικών ογκολίθων

Abstract

Coastal zone is a purely dynamical environment, where complex natural processes take place. The combined action of environmental forcing and intense anthropogenic activities, often leads to severe erosion that needs immediate treatment. In the present thesis the flow induced by waves close to a detached rubble mound zero-freeboard breakwater and above a rock-armored slope were examined experimentally. Experiments were conducted in a wave basin equipped with a paddle wavemaker, controlled by an Active Wave Absorption Control System for wave generation with concurrent absorption of reflected waves. Three physical models were constructed: a 1/15 steep sloping beach, a detached rubble-mound zero-freeboard breakwater and a steep rock-armored slope of 1/3. Seven cases of incoming waves were examined. Free surface elevation and velocity measurements were obtained in several locations of the wave tank using wave gauges, PIV and ADV, respectively. Flow measurements above the 1/15 steep sloping beach revealed the development of a wave-generated cross-shore current with seaward direction, for all wave cases tested. Upstream the surf zone, the current's horizontal velocity presented a linear dependence over depth, while inside the surf zone a parabolic distribution over depth was observed.Measurements in the vicinity of the zero-freeboard breakwater revealed that the global transmission coefficient obtained values of 0.35 - 0.40 at the breakwater's transverse symmetry axis, which increased as we moved towards the breakwater's tip. Focusing on the wave-generated current field, the generation of a cross-shore current was observed along the model's transverse symmetry axis. At the structure's location, this cross-shore current "collided" with the water volume overtopping the crest, turned and started moving alongshore till the tip of the breakwater, where it diverted seawards forming a rip current. The developed rip current was a strong cross-shore current with seaward direction and magnitudes up to 0.46 m/s. At its origin's position (leeward toe), it displayed a relatively linear distribution over depth and an increasing magnitude close to the bottom and towards the gap's centerline. As the rip current flowed out of the breakwater leeside, it was accelerated and acquired a uniform distribution over depth. Moving to even larger depths, it preserved its large magnitude close to the free surface and decelerated close to the bottom.Finally, measurements of the flow developed above the rock-armored slope of 1/3 revealed the existence of a strong wave-generated current with seaward direction and a linear dependence with depth, similar to the vertical structure of the undertow outside the surf zone. The mean turbulent intensity above the slope was found quite high as a result of the intense turbulence production, while the turbulence diffusion aided by the action of the return current established substantial levels of turbulence intensity in the whole water column above the armor layer.

Η παράκτια ζώνη θεωρείται ένα από τα πιο δυναμικά φυσικά περιβάλλοντα, καθώς σε αυτήν εκδηλώνονται σημαντικές φυσικές διεργασίες. Η συνδυασμένη δράση των φυσικών φορτίσεων και των έντονων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, συχνά προκαλεί προβλήματα διάβρωσης που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε πειραματικά αφενός η ροή λόγω διάδοσης κυμάτων υπεράνω ακτής απότομης κλίσης, αφετέρου η μεταβολή της παράκτιας κυκλοφορίας στην περίπτωση κατασκευής ίσαλου κυματοθραύστη στην εν λόγω ακτή, καθώς επίσης και η ροή υπεράνω του στρώματος θωράκισης τέτοιων κατασκευών.Για την πραγματοποίηση των πειραματικών μετρήσεων κατασκευάστηκαν τρία εργαστηριακά ομοιώματα, μια ακτή απότομης κλίσης 1/15, ένας ίσαλος κυματοθραύστης με πρανή φυσικών ογκολίθων και ένα πρανές φυσικών ογκολίθων κλίσης 1/3. Οι μετρήσεις των ταχυτήτων διεξήχθησαν με χρήση των μεθοδολογιών ADV και PIV, ενώ καταγράφηκε και η μεταβολή της στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας.Όσον αφορά στην ακτή απότομης κλίσης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της στιγμιαίας ταχύτητας της ροής που αναπτύσσεται, σε διάφορες θέσεις κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων και για πέντε διαφορετικά σενάρια κυματισμών. Τα αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία κυματογενούς ρεύματος εγκαρσίως στην ακτογραμμή, με κατεύθυνση προς τα βαθιά και διαμήκη συνιστώσα που αυξάνει με το ύψος του διαδιδόμενου κυματισμού. Η κατανομή της διαμήκους συνιστώσας του ρεύματος είναι γραμμική ως προς το βάθος ανάντη της ζώνης θραύσης, ενώ όσο προσεγγίζουμε το βάθος θραύσης db και εντός της ζώνης απόσβεσης, το ρεύμα εμφανίζει παραβολική κατανομή ως προς το βάθος.Όσον αφορά στον ίσαλο κυματοθραύστη, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν την δημιουργία ισχυρών κυματογενών ρευμάτων στην εγγύς περιοχή αυτού. Στην υπήνεμη περιοχή του κυματοθραύστη εντοπίζεται ένα ισχυρό κυματογενές ρεύμα, κατά μήκος του εγκάρσιου άξονα συμμετρίας, με κατεύθυνση από την ακτογραμμή προς τον υπήνεμο πόδα. Επιπλέον, στο άνοιγμα του έργου εντοπίζεται ένα ισχυρότατο κυματογενές ρεύμα, εγκάρσιο στην ακτογραμμή και με κατεύθυνση προς τα βαθιά, το επονομαζόμενο βελοειδές ρεύμα, με διαμήκεις ταχύτητες που κυμαίνονται από 0.10 - 0.46 m/s. Η ένταση του βελοειδούς ρεύματος αυξάνει στις περιπτώσεις που οι διαδιδόμενοι κυματισμοί εκδηλώνουν έντονη θραύση, ενώ η κατακόρυφη δομή του είναι ομοιόμορφη ως προς το βάθος εντός της ζώνης απόσβεσης, μεταβάλλεται ωστόσο γραμμικά με το βάθος στην εξωτερική παράκτια ζώνη. Ως προς την εγκάρσια διεύθυνση, το βελοειδές ρεύμα εμφανίζει μεγαλύτερες ταχύτητες στο μέσον του ανοίγματος μεταξύ διαδοχικών κυματοθραυστών, ενώ πλησίον του ακρομωλίου η διαμήκης ταχύτητα του ρεύματος μειώνεται πλησίον του πυθμένα. Τέλος, όσον αφορά στο πρανές φυσικών ογκολίθων, διαπιστώθηκε η δημιουργία κυματογενούς ρεύματος κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων, με κατεύθυνση προς τα βαθιά. Η μεταβολή του ρεύματος ήταν σχετικά γραμμική ως προς το βάθος και προσομοίαζε την κατακόρυφη δομή του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος ανάντη της ζώνης απόσβεσης. Η ένταση της τύρβης υπεράνω του πρανούς εμφάνιζε τιμές της τάξης του 0.15 - 0.40, ενώ η παραγωγή της τύρβης ενισχυόταν σημαντικά από την εξαιρετικά τραχεία επιφάνεια του πρανούς.