Περιβαλλοντική Υπολογιστική Ρευστομηχανική

Abstract

Το παρόν σύγγραμμα αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος ασχολείται με τη διδασκαλία των κύριων θεωρητικών εξισώσεων της περιβαλλοντικής ρευστομηχανικής. Σε αυτό αναλύονται διεξοδικά οι κύριες εξισώσεις μαθηματικών προσομοιώσεων των περιβαλλοντικών ροών (εξίσωση συνέχειας Navier-Stokes, ολοκληρωμένη κατά το βάθος εξίσωση συνέχειας, ολοκληρωμένες πλευρικά εξισώσεις συνέχειας και κίνησης, εξίσωση μεταφοράς και διάχυσης ρύπου, εξισώσεις υπόγειων ροών), ενώ προσδιορίζονται oι εμπειρικές εξισώσεις εκτίμησης των συντελεστών τυρβώδους ιξώδους και τυρβώδους διάχυσης. Αναλύεται η μεθοδολογία επίλυσης των παραπάνω εξισώσεων με την τεχνική των πεπερασμένων διαφορών και όγκων ελέγχου και παρουσιάζεται σειρά ασκήσεων και προβλημάτων. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται εφαρμοσμένες περιβαλλοντικές ροές και οι διεργασίες μεταφοράς και διάχυσης ρύπων σε αυτές. Ειδικότερα, αναλύονται οι διεργασίες και η προσομοίωση των φαινομένων μεταφοράς και διάχυσης ρύπου σε μονοδιάστατες ροές (π.χ. κανάλια, χείμαρροι, ποτάμια), δισδιάστατες ροές (λίμνες, ταμιευτήρες, ποταμοεκβολές, παράκτια συστήματα) και σε τρισδιάστατες ροές (ανοικτή θάλασσα). Επιπλέον, το σύγγραμμα πραγματεύεται τη μελέτη συμπεριφοράς υποθαλάσσιων φλεβών και πλουμίων που αναπτύσσονται στην παράκτια ζώνη, και ασχολείται με τον βέλτιστο σχεδιασμό τέτοιων έργων ώστε να επιτυγχάνεται ο περιορισμός των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Τέλος, παρουσιάζονται παραδείγματα προσομοίωσης και διαχείρισης υπόγειου υδατικού δυναμικού. Εξετάζονται η μεθοδολογία διακριτοποίησης του υπολογιστικού πεδίου, η διαδικασία απλοποίησης των τρισδιάστατων θεωρητικών εξισώσεων μέσω παραδοχών, η εφαρμογή αρχικών και οριακών συνθηκών και η δυνατότητα διασύνδεσης του ομοιώματος με άλλα ομοιώματα ευρύτερης ροής. Σε κάθε κεφάλαιο παρουσιάζονται εφαρμογές που έχουν αναπτύξει οι συγγραφείς και έχουν εφαρμόσει σε υπαρκτά υδατικά συστήματα.

This textbook consists of two parts. The first part deals with the teaching of the main theoretical equations of environmental fluid mechanics. It thoroughly analyzes the main mathematical equations used to simulate environmental flows (Navier-Stokes continuity equation, depth-integrated continuity equation, laterally integrated continuity and motion equations, pollutant transport and diffusion equation, subsurface flow equations), while the empirical equations for estimating the turbulent viscosity and turbulent diffusion coefficients are determined. The methodology for solving the above equations using the finite difference and control volume techniques is analyzed, and a series of exercises and problems are presented. The second part presents applied environmental flows and the processes of pollutant transport and diffusion in them. In particular, the processes and simulation of pollutant transport and diffusion phenomena in one-dimensional flows (e.g. channels, streams, rivers), two-dimensional flows (lakes, reservoirs, river mouths, coastal systems) and three-dimensional flows (open sea). In addition, the textbook deals with the study of the behavior of submarine veins and plumes that develop in the coastal zone, and deals with the optimal design of such projects in order to achieve the reduction of environmental impacts. Finally, examples of simulation and management of groundwater resources are presented. The methodology for discretizing the computational domain, the process of simplifying three-dimensional theoretical equations through assumptions, the application of initial and boundary conditions, and the possibility of interconnecting the model with other models of broader flow are examined. Each chapter presents applications developed by the authors and applied to existing water systems.