The objective of the thesis is the study of the behavior of low-crested (zero freeboard) breakwaters via numerical simulation of the flow induced by incoming waves using the open source software XBeach. In the bibliography there are substantially less studies on coastal protection by low-crested breakwaters than by submerged or emerged breakwaters. In the present study, both the Surfbeat and the Non-hydrostatic models of XBeach were examined. The Surfbeat is a phase-averaged model that imposes hydrostatic pressure distribution, while the Non-hydrostatic is a phase-resolving model that solves for the dynamic pressure. The models for wave breaking were calibrated for a beach with a constant slope of 1/15 without the presence of a breakwater for 3 different incident waves by comparison to existing experimental measurements from the Hydraulic Engineering Laboratory of the Civil Engineering Department, University of Patras. For the Surfbeat model, JONSWAP irregular waves as well as harmonic waves were considered, while for the Non-hydrostatic model JONSWAP irregular and monochromatic waves were considered. The validation of the numerical models for the case of the beach with the low-crested breakwater was done by comparison to existing experimental measurements from the Laboratory. It was observed that with the Surfbeat model, it was not possible to capture the free surface elevation during wave overtopping above the breakwater crest, the wave set-up and runup in the leeside area of the breakwater as well as the wave diffraction by the breakwater roundhead. On the contrary, with the Non-hydrostatic model, all these phenomena were accurately captured. Subsequently, the Non-hydrostatic model was applied on a low-crested breakwater at prototype scale for the 1-year wave of 6B wind, the 1-year wave of 10B wind, and the 10-year wave of 10B wind for incident waves with direction perpendicular to the shore and oblique at angles of 22.5ο and 45ο. It was observed that the diffraction is more intense for the two annual waves, while for the 10-year wave the dominant phenomena are wave transmission and rip-currents. The wave transmission increases with the incident wave height, while the wave reflection increases with the wave steepness reduction. For perpendicular wave incidence, rip-current speed increases with the wave height while the longshore current speed near the shoreline decreases with the wave height increase. For oblique waves, the rip-current is intense at the upstream roundhead for all the wave cases. The mean sea level increases in the leeside area of breakwater for all the wave cases, while the wave direction does not influence the wave set-up. In the gaps and the seaward area of the breakwater, wave set-down was observed and it was correlated to energy dissipation. For oblique waves, the wave set-down appeared only at the upstream roundhead, while at the downstream roundhead a weak wave set-up occurred. The maximum values of Shields number exceeded the corresponding critical value only for the two waves of 10B near the breakwater and mainly the gaps.
(EL)
Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς κυματοθραύστη ίσαλου στέψης μέσω αριθμητικής προσομοίωσης της ροής λόγω επερχομένων κυματισμών με χρήση του λογισμικού ανοικτού κώδικα XBeach. Στη βιβλιογραφία, οι εργασίες σε ίσαλους κυματοθραύστες ως έργο προστασίας ακτών είναι σημαντικά λιγότερες από αυτές σε έξαλους ή βυθισμένους. Εξετάστηκαν και τα δύο μοντέλα του XBeach δηλαδή το surfbeat (μέση κυματική δράση και θεώρηση υδροστατικής πίεσης) και το non-hydrostatic (χρονική ανάλυση περιόδου κύματος και θεώρηση δυναμικής πίεσης). Τα αριθμητικά μοντέλα θραύσης βαθμονομήθηκαν σε γεωμετρία παράκτιας ζώνης σταθερής κλίσης πυθμένα 1/15 χωρίς κυματοθραύστη για 3 περιπτώσεις επερχομένων κυματισμών κατόπιν σύγκρισης με προϋπάρχουσες πειραματικές μετρήσεις στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Για το μοντέλο surfbeat εφαρμόσθηκαν στοχαστικά κύματα JONSWAP και αρμονικά κύματα, ενώ για το non-hydrostatic μοντέλο εφαρμόστηκαν στοχαστικά κύματα JONSWAP και μονοχρωματικά κύματα. Η επαλήθευση των αριθμητικών μοντέλων για τις περιπτώσεις παράκτιας ζώνης με ίσαλο κυματοθραύστη έγινε επίσης κατόπιν σύγκρισης με προϋπάρχουσες πειραματικές μετρήσεις του Εργαστηρίου. Παρατηρήθηκε ότι το μοντέλο surfbeat δεν προσομοιώνει την ανύψωση της ελεύθερης επιφάνειας κατά την υπερπήδηση των κυμάτων υπεράνω της στέψης του κυματοθραύστη, την αντίστοιχη κυματογενή ανύψωση στην υπήνεμη περιοχή του κυματοθραύστη και την περίθλαση των κυμάτων γύρω από τα ακρομόλια του κυματοθραύστη σε αντίθεση με το non-hydrostatic μοντέλο που προσομοιώνει με ακρίβεια όλα τα ανωτέρω φαινόμενα. Στη συνέχεια το non-hydrostatic μοντέλο εφαρμόσθηκε σε ίσαλο κυματοθραύστη στο πεδίο για ετήσιο κύμα 6Β, ετήσιο κύμα 10Β και κύμα δεκαετίας 10Β για κάθετη πρόσπτωση κυμάτων στην ακτή, καθώς και για λοξή πρόσπτωση υπό γωνία 22.5ο και 45ο. Παρατηρήθηκε ότι η περίθλαση είναι εντονότερη για τα δύο ετήσια κύματα ενώ για το κύμα 10ετίας υπερισχύει η μετάδοση και η δράση του βελοειδούς ρεύματος. Η μετάδοση αυξάνει με την αύξηση του ύψους του επερχομένου. Ο συντελεστής ανάκλασης δεν εξαρτάται τόσο από το ύψος κύματος αλλά από την κλίση του κύματος (wave steepness). Συγκεκριμένα όσο αυξάνεται η γωνία του κύματος ο συντελεστής ανάκλασης μειώνεται. Για κάθετη πρόσπτωση των κυμάτων παρατηρήθηκε αύξηση του βελοειδούς ρεύματος με την αύξηση του ύψους κύματος, ενώ τα παράλληλα ρεύματα κοντά στην ακτή με κατεύθυνση προς το κέντρο του κυματοθραύστη παρουσίασαν μείωση με την αύξηση του ύψους κύματος. Για λοξή πρόσπτωση παρατηρήθηκε έντονο βελοειδές ρεύμα στο ανάντη ακρομόλιο για όλα τα κύματα. Η μέση στάθμη της θάλασσας αυξήθηκε στην υπήνεμη πλευρά για όλα τα κύματα ενώ η γωνία πρόσπτωσης των κυματισμών δεν επηρέασε την ανύψωσή της. Στα ανοίγματα και την προσήνεμη πλευρά του κυματοθραύστη σημειώθηκε ταπείνωση της μέσης στάθμης της θάλασσας δίνοντας ένδειξη απώλειας σημαντικών ποσών ενέργειας στις περιοχές αυτές. Για λοξή πρόσπτωση η ταπείνωση εμφανίστηκε μόνο στο ανάντη ακρομόλιο ενώ στο κατάντη ακρομόλιο η μέση στάθμη αυξήθηκε ελαφρώς. Το μέγιστο μέτρο του αριθμού Shields ξεπέρασε την κρίσιμη τιμή του μόνο για τα δύο κύματα των 10B γύρω από τον κυματοθραύστη και κυρίως κοντά στα ανοίγματα.
(EL)
Πανεπιστήμιο Πατρών
