Παρουσίαση/Προβολή

Περιεχόμενο μαθήματος

• Εισαγωγή στην Υπολογιστική Μηχανική Ρευστών: Τα υπολογιστικά ομοιώματα/μοντέλα, ορισμοί, τύποι και μέθοδοι αριθμητικής επίλυσης, αξιολόγηση καταλληλότητας/αξιοπιστίας μεθόδων, δυνατότητες και χρήση υπολογιστικών ομοιωμάτων, δυνατότητες και χρήση εργαλείων προγραμματισμού, παραδείγματα εφαρμογών.
• Στοιχεία αριθμητικής ανάλυσης (αριθμητική προσέγγιση και παρεμβολή, αριθμητική ολοκλήρωση, επίλυση συστημάτων εξισώσεων, σειρές Fourier, πεπερασμένες διαφορές, αριθμητική λύση αλγεβρικών συστημάτων
• Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις (Ordinary Differential Equations – ODEs), Διαφορικές Εξισώσεις με Μερικές Παραγώγους (Partial Differential Equations – PDEs), Μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών (Finite Differences Method).
• Αριθμητική επίλυση διαφορικών εξισώσεων (εισαγωγή, παραβολικές εξισώσεις, υπερβολικές εξισώσεις – μέθοδος χαρακτηριστικών, ελλειπτικές εξισώσεις).
• Εφαρμογή σε ροές σε κλειστούς αγωγούς (μόνιμη ροή σε δίκτυα υπό πίεση - μέθοδος Cross ή Hardy-Cross, μη μόνιμη ροή - υδραυλικό πλήγμα).
• Εφαρμογές σε ροές ανοιχτών αγωγών και ροές με ελεύθερη επιφάνεια (μόνιμη ανομοιόμορφη ροή, μαθηματικό ομοίωμα μη μόνιμης ροής, μετάδοση πλημμυρικού κύματος).
• Εφαρμογές σε ροές υδροδυναμικής κυκλοφορίας στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον. Δισδιάστατη και τρισδιάστατη ροή σε περιοχές λιμένων και την παράκτια ζώνη.
• Αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης κυματικής διάδοσης. Εφαρμογές υπολογιστικής προσομοίωσης της διάδοσης επιφανειακών κυματισμών βαρύτητας. Εφαρμογές στην ανοιχτή θάλασσα και την παράκτια ζώνη.
• Εφαρμογές σε προβλήματα διάχυσης-διασποράς (μαθηματικό ομοίωμα διάχυσης-διασποράς, αριθμητική επίλυση). Παραδείγματα λογισμικού μεταφοράς ρύπων (μέθοδοι μεταφοράς τύπου Lagrange, παραδείγματα προσομοίωσης ρύπανσης από πετρελαιοειδή κ.λπ.)
• Εισαγωγή στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων.
• Εισαγωγή στις μη-πλεγματικές μεθόδους.
• Εισαγωγή στη σωματιδιακή μέθοδο Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH).
• Προσεγγίσεις για την προσομοίωση τυρβωδών ροών και μοντέλα τύρβης (RANS, LES, DNS).

Εξατομικευμένη Απαλλακτική Εργασία Εξαμήνου: Παρουσίαση, Ανάθεση, Εκπόνηση με διαδραστική διδασκαλία (επίλυση αποριών και διορθώσεις στην τάξη).

Μαθησιακοί στόχοι

Η διδασκαλία του μαθήματος αποσκοπεί:

• στην απόκτηση γνώσεων σχετικών με την μαθηματική-υπολογιστική μοντελοποίηση υδραυλικών προβλημάτων που δεν επιλύονται αναλυτικά και έχουν επιχειρησιακή σημασία στη μελέτη Υδραυλικών Έργων, στην εξοικείωση των φοιτητών με τη χρήση υπολογιστικών κωδίκων και πακέτων λογισμικού.
• στην κατανόηση βασικών στοιχείων της αριθμητικής ανάλυσης, βασικών εξισώσεων και προσεγγίσεων επίλυσης προβλημάτων της υδραυλικής και των μεθόδων αριθμητικής επίλυσής τους, του τρόπου μαθηματικής περιγραφής και ανάλυσης προβλημάτων υδραυλικής.
• στην ανάλυση, κατανόηση και τροποποίηση υπολογιστικών κωδίκων
• στην αναγνώριση βασικών αρχών χρήσης υπολογιστικών ομοιωμάτων σε εφαρμογές Πολιτικού Μηχανικού.
• στη χρήση εργαλείων προγραμματισμού για διαφορετικές εφαρμογές (επίλυση προβλημάτων Πολιτικού Μηχανικού, διαχείριση, ανάλυση και γραφική αναπαράσταση δεδομένων).

Βιβλιογραφία

5.1) Βασική Βιβλιογραφία

Πρωτότυπη ελληνική διαθέσιμη από ΕΥΔΟΞΟ

Κουτίτας ΧΓ (2005). Υπολογιστική Υδραυλική, Εκδ. Επίκεντρο, Σελ.: 199, ISBN:9789606645501

Μεταφρασμένη στα ελληνικά Βιβλιογραφία διαθέσιμη από ΕΥΔΟΞΟ

J.H. Ferziger - M. Peric (2002). Υπολογιστική ρευστοδυναμική. Εκδόσεις Fountas, ISBN-13:9789603307495, ISBN-10: 9603307491

Ελεύθερα διαθέσιμα σε μορφή pdf:

Σούλης, Ι. (2015). Υπολογιστικές τεχνικές υδραυλικής μηχανικής. Kallipos, Open Academic Editions. http://hdl.handle.net/11419/3997

Συλαίος, Γ., & Μουτσόπουλος, Κ. (2015). Περιβαλλοντική Υπολογιστική Ρευστομηχανική [Προπτυχιακό εγχειρίδιο]. Κάλλιπος, Ανοικτές Ακαδημαϊκές Εκδόσεις. https://dx.doi.org/10.57713/kallipos-643

Κρεστενίτης Γ.Ν., Κομπιάδου Κ.Δ., Μακρής Χ.Β., Ανδρουλιδάκης Γ.Σ., Καραμπάς Θ.Β. (2015). Παράκτια Μηχανική – Θαλάσσια Περιβαλλοντική Υδραυλική, Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα, Κάλλιπος, Αθήνα. Link: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2789?locale=en

5.2) Βοηθητική Βιβλιογραφία για περαιτέρω εξειδίκευση

Ελληνική

Versteeg Η. Κ. & Malalasekera W. (2015). Εισαγωγή στην Υπολογιστική Ρευστοδυναμική. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Α. Τζιόλα.

Μακρής Χ.Β. (2014). Υπολογιστική Προσομοίωση Παράκτιων Κυματικών Διεργασιών με τη χρήση της Σωματιδιακής Μεθόδου Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Διδακτορική Διατριβή, ΑΠΘ.

Μαρκάτος Ν.& Ασημακόπουλος Δ. (1995). Υπολογιστική Ρευστοδυναμική. Αθήνα: Εκδ. Παπασωτηρίου.

Μπεργελές, Γ. (2016). Υπολογιστική Ρευστομηχανική, Εκδόσεις Συμεών, ISBN 9789607888693, Σελ. 484

Ξενόγλωσση

Abbott, M.B. and Minns, A.W., 2017. Computational hydraulics. Routledge.

Chung, T.J., 2002. Computational Fluid Dynamics. Cambridge university press.

Ferziger, J.H. and M. Peric, 2002. Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer.

Fletcher, C.A., 1988. Computational Techniques for Fluid Dynamics. Volume 1 - Fundamental and general techniques. Volume 2-Specific techniques for different flow categories. Berlin and New York, 1.

Fletcher, C.A., 2012. Computational Techniques for Fluid Dynamics 2: Specific techniques for different flow categories. Springer Science & Business Media.

Li, S. and Liu, W.K., 2007. Meshfree Particle Methods. Springer Science & Business Media.

Liu, G.R. and Liu, M.B., 2003. Smoothed Particle Hydrodynamics: A Meshfree Particle Method. World scientific.

Petrila, T. and D. Trif, 2005. Basics of Fluid Mechanics and Introduction to Computational Fluid Dynamics, Springer.

Violeau, D., 2012. Fluid Mechanics and the SPH Method: Theory and Applications. Oxford University Press.

Vreugdenhil, C.B., 2012. Computational Hydraulics: An Introduction. Springer Science & Business Media.

Zienkiewicz O.C., R.L. Taylor, P. Nithiarasu (2005). The Finite Element Method for Fluid Dynamics, Sixth Edition. Butterworth-Heinemann (first published 1975) ISBN0750663227 (ISBN13: 9780750663229)

Μέθοδοι διδασκαλίας

Θα γίνει χρήση διαφανειών PowerPoint με πλούσιο οπτικό υλικό (εικόνες και βίντεο) για την παρουσίαση της θεωρίας, των πρακτικών εφαρμογών και των ασκήσεων.

Θα γίνει εκτενής χρήση των «ελεύθερα» διατιθέμενων Ηλεκτρονικών Ακαδημαϊκών Συγγραμμάτων:

Κρεστενίτης Γ.Ν., Κομπιάδου Κ.Δ., Μακρής Χ.Β., Ανδρουλιδάκης Γ.Σ., Καραμπάς Θ.Β. (2015) με τίτλο «Παράκτια Μηχανική – Θαλάσσια Περιβαλλοντική Υδραυλική» από τη σελίδα του Κάλλιπου στον ηλεκτρονικό σύνδεσμο: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2789?locale=en.

Σούλης, Ι. (2015). Υπολογιστικές τεχνικές υδραυλικής μηχανικής. Kallipos, Open Academic Editions. από τη σελίδα του Κάλλιπου στον ηλεκτρονικό σύνδεσμο: http://hdl.handle.net/11419/3997

Θα γίνει χρήση των πρότυπων υπολογιστικών μοντέλων και κωδίκων σε γλώσσα FORTRAN και υπολογιστικών εφαρμογών Excel με αλγορίθμους VBA που συνοδεύουν τα παραπάνω συγγράμματα, διατιθέμενα μέσω των ηλεκτρονικών συνδέσμων:

https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2795 και http://edusoft.civil.auth.gr/

Θα μοιραστεί στους φοιτητές ολόκληρη η (ελληνική και ξενόγλωσση) Βιβλιογραφία του μαθήματος σε μορφή pdf για τη διευκόλυνση της μελέτης.

Θα εγκατασταθούν κατάλληλοι compilers για FORTRAN στην αίθουσα Η/Υ του Τμ. Πολ. Μηχ. ΔΠΘ

Θα δοθούν υπολογιστικές εφαρμογές για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε κατάλληλης μορφής διαγράμματα, γραφήματα και 2-D/3-D απεικονίσεις.

Θα γίνει χρήση της πλατφόρμας e-class (https://eclass.duth.gr/courses/TMB385/) του ΔΠΘ καθώς και GoogleDrive του διδάσκοντα για την ελεύθερη διακίνηση πληροφοριών, ανακοινώσεων σχετικά με το μάθημα και την ανάρτηση αποριών από τους φοιτητές και σχετικών απαντήσεων από τον διδάσκοντα.

Μέθοδοι αξιολόγησης

Βασικός στόχος είναι η κρίση/βαθμολόγηση των φοιτητών να γίνεται με βάση την εβδομαδιαία επαφή τους με το υλικό των παραδόσεων του μαθήματος και την εξέλιξη της εργασίας του εξαμήνου και όχι να κριθούν από την απόδοσή τους σε ολιγόωρη γραπτή εξέταση. Συνεπώς, στο πέρας του εξαμήνου θα εξεταστεί προφορικά η παραδοθείσα από τους φοιτητές εργασία (Θέμα) στα πλαίσια 3ωρου παρουσιάσεων των εργασιών των ομάδων στο κοινό. Η τελική βαθμολογία θα υπολογιστεί ως εξής:

- Θέμα/Εργασία 60%

ορθότητα/πληρότητα υπολογισμών 30% + κατανόηση εννοιών 20% + πρωτοτυπία υπολογιστικών κωδίκων 10%

- Προφορική εξέταση 20%

πάνω στο Θέμα/Εργασία 10% + θέματα γενικότερης κατανόησης του μαθήματος 10%

- Παρουσίαση 20%

Προαπαιτούμενα

Οι φοιτητές που θα παρακολουθήσουν το μάθημα θα πρέπει να κατέχουν βασικές γνώσεις Μηχανικής Ρευστών, Υδραυλικής, και Ακτομηχανικής – Παράκτιας Τεχνικής. Οι φοιτητές που παρακολουθούν το μάθημα έχουν ήδη διδαχθεί τα ανάλογα υποχρεωτικά μαθήματα του Τομέα Υδραυλικών Έργων του Τμ. Πολιτικών Μηχανικών ΔΠΘ.

Διδάσκοντες

Δρ. Χρήστος Β. Μακρής

Επίκουρος Καθηγητής Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής Υδραυλικών Έργων

Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΔΠΘ

ΣΥΝΤΟΜΟ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ (Σεπτέμβριος 2024)

Ο Δρ. Χρήστος Β. Μακρής έχει γεννηθεί στη Θεσσαλονίκη στις 26/02/1979. Σπούδασε Πολιτικός Μηχανικός στην Πολυτεχνική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) και πήρε το Δίπλωμά του το 2005, με ειδίκευση στον Τομέα Υδραυλικής & Τεχνικής Περιβάλλοντος (ΤΥΤΠ). Απέκτησε επίσης το Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης (ΜΔΕ) από το Διεπιστημονικό – Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (ΔΠΜΣ) «Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων» του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) με κατεύθυνση «Διαχείριση Παράκτιας Ζώνης» το 2007. Κατέχει τον τίτλο του Διδάκτορα πάνω στο αντικείμενο της Υπολογιστικής Προσομοίωσης της Υδροδυναμικής των Κυματογενών Διεργασιών στην Παράκτια Ζώνη, από το Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών του ΑΠΘ από το 2014. Είναι μέλος του ΤΕΕ, της Ελληνικής Υδροτεχνικής Ένωσης, και των IAHR και EGU.

Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα και η εμπειρία του εστιάζονται στα ακόλουθα επιστημονικά αντικείμενα: παράκτια τεχνική, θαλάσσια υδραυλική, ωκεάνια υδροδυναμική, ακτομηχανική, λιμενικά έργα, φυσική και επιχειρησιακή ωκεανογραφία, υπολογιστική ρευστοδυναμική, μοντέλα τύρβης, αριθμητικές προσομοιώσεις της δυναμικής των θαλάσσιων κυματισμών (γένεση, προέλαση, μετασχηματισμός και θραύση), αριθμητικά μοντέλα τυρβωδών διεργασιών, υδροδυναμική της ζώνης θραύσης των παράκτιων κυματισμών, κυματογενείς διεργασίες στην παράκτια ζώνη, υπολογιστικές προσομοιώσεις με τη μέθοδο Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), μοντέλα τύρβης τύπου Smagorinsky, μέθοδος Large Eddy Simulation (LES), κυματικά μοντέλα τύπου Boussinesq και Εξίσωσης Ήπιας Κλίσης, σχεδιασμός «ήπιων» έργων προστασίας της παράκτιας ζώνης (ύφαλοι κυματοθραύστες κ.λπ.), σχεδιασμός συστημάτων διάθεσης υγρών αποβλήτων στο θαλάσσιο περιβάλλον (υποβρύχιοι αγωγοί, διαχυτήρες κ.λπ.), αλληλεπίδραση κυματισμών με παράκτιες κατασκευές, μετεωρολογικές παλίρροιες και μεταβολές της στάθμης της θάλασσας, αριθμητικές προσομοιώσεις μετεωρολογικής παλίρροιας, κυματογενείς επιδράσεις στη στάθμη της θάλασσας, άνοδος της μέσης στάθμης θάλασσας, παράκτιες πλημμύρες, ανάλυση ακραίων τιμών στάθμης θάλασσας, ωκεανογραφικά συστήματα πρόγνωσης, επιδράσεις της Κλιματικής Αλλαγής στο θαλάσσιο περιβάλλον, αριθμητικές προσομοιώσεις διάχυσης, μεταφοράς, διασποράς και διάλυσης ρύπων στο θαλάσσιο περιβάλλον, παρακολούθηση ποιότητας θαλάσσιων υδάτων, και ωκεανογραφικές μετρήσεις πεδίου (με παλιρροιογράφους, κυματογράφους, CTD, ρευματογράφους, ADCP, κ.λπ.). Επιπρόσθετα, έχει εμπειρία στην ανάπτυξη λογισμικού για εκπαιδευτικούς σκοπούς, στα επιστημονικά πεδία της Παράκτιας Τεχνικής, Θαλάσσιας Υδροδυναμικής και Επιχειρησιακής Ωκεανογραφίας.

Έχει γράψει 4 επιστημονικές/ακαδημαϊκές διατριβές και διπλωματικές εργασίες σε προπτυχιακό, μεταπτυχιακό, διδακτορικό και μεταδιδακτορικό επίπεδο. Έχει συνολικά 107 δημοσιεύσεις: 20 άρθρα σε διεθνή και εθνικά επιστημονικά περιοδικά με κριτές και δείκτη απήχησης (ΔΑ), 2 κεφάλαια σε τόμους βιβλίων, 1 ακαδημαϊκό σύγγραμμα Παράκτιας Μηχανικής και Θαλάσσιας Περιβαλλοντικής Υδραυλικής σε επίπεδο τελειόφοιτου και/ή μεταπτυχιακού φοιτητή Πολυτεχνικής Σχολής, 53 δημοσιεύσεις με κριτές και 18 περιλήψεις σε πρακτικά διεθνών και εθνικών επιστημονικών συνεδρίων, και 13 παρουσιάσεις και προσκεκλημένες ομιλίες σε ημερίδες. Είναι ad hoc κριτής σε 29 περιοδικά και 3 συνέδρια (67 κρίσεις) και προσκεκλημένος/θεματικός συντάκτης σε 2 περιοδικά. Έχει επίσης συμβάλλει στη συγγραφή 61 τεχνικών εκθέσεων στα πλαίσια ερευνητικών έργων. Το συγγραφικό του έργο έχει 819 αναφορές (441 ετεροαναφορές, 53.9%), με h-δείκτη: 15, i10-δείκτη: 21, i1-index: 74, Research Interest σκορ: 952. Έχει βραβευτεί με διάκριση ως μεταπτυχιακός φοιτητής από το Θωμαΐδειο του ΕΜΠ το έτος 2007, και έχει λάβει υποτροφία ΙΚΥ στα πλαίσια προγράμματος ΙΚΥ-SIEMENS «Υποτροφίες Αριστείας για Μεταδιδακτορική Έρευνα».

Έχει συμμετάσχει σε 16 διεθνή και εθνικά ερευνητικά προγράμματα σε ΕΜΠ και ΑΠΘ, όπως Accu-Waves (http://accuwaves.eu/), Wave4Us (http://wave4us.web.auth.gr/), MEDAQCLIM (http://medaqclim.po42.com/), CCSEAWAVS (http://www.thalis-ccseawavs.web.auth.gr/), TIMMOD (http://timmod.org/), LocAll4Flood (https://locall4flood.interreg-euro-med.eu/) κ.λπ. Έχει επίσης διατελέσει Πανεπιστημιακός Υπότροφος ΑΠΘ και έχει διδάξει τα μαθήματα επιλογής 8^ου εξαμήνου «Μαθηματικά Μοντέλα Ποιότητας Νερού σε Υδάτινα Οικοσυστήματα», «Υδραυλική των Υπογείων Ροών», και «Αριθμητικές Μεθόδους στην Υδραυλική και τα Υδραυλικά Έργα» (Έργο: Απόκτηση Ακαδημαϊκής Διδακτικής Εμπειρίας σε Νέους Επιστήμονες Κατόχους Διδακτορικού – ΕΔΒΜ). Επιπρόσθετα έχει συμμετάσχει για 7 έτη στο Επικουρικό Έργο Διδασκαλίας του ΑΠΘ στα μαθήματα «Λιμενικά Έργα και Ακτομηχανική» και «Παράκτια Τεχνικά Έργα». Επιπλέον, έχει ευρεία εμπειρία στη συγγραφή και την κατάθεση ερευνητικών προτάσεων. Τέλος, έχει συνεισφέρει στη διοργάνωση επιστημονικών συνεδρίων και ημερίδων (DMPCO, Wave4Us, Accu-Waves, κ.λπ.).

Πλήρη βιογραφικά σημειώματα μπορείτε να βρείτε στους ακόλουθους ηλεκτρονικούς συνδέσμους:

https://utopia.duth.gr/cmakris/CV/

https://people.auth.gr/cmakris/

https://www.linkedin.com/in/christos-makris-04596120/

https://www.researchgate.net/profile/Christos-Makris-3

https://duth.academia.edu/ChristosMakris

https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0001-6438-2659

Ομάδα στόχος

Τελειόφοιτοι φοιτητές Πολιτικοί Μηχανικοί σε ΑΕΙ και Πολυτεχνικές Σχολές με 5ετή κύκλο σπουδών και ειδίκευση στην Υδραυλική/Ρευστομηχανική και την Τεχνική Περιβάλλοντος

Απόκτηση ικανοτήτων:

Μετά την επιτυχή παρακολούθηση του μαθήματος ο/η φοιτητής/ρια θα πρέπει να έχει τις ικανότητες:

• να προγραμματίζει ο/η ίδιος/α ή να είναι ένας/μια «κριτικός» χρήστης εμπορικού λογισμικού στα αντικείμενα της Μηχανικής Ρευστών και της Υδραυλικής.
• να είναι όσο το δυνατό καλύτερα προετοιμασμένος/η για την εκπόνηση Διπλωματικών Εργασιών και μεταπτυχιακών σπουδών που συμπεριλαμβάνουν την ανάπτυξη και εφαρμογή υπολογιστικών μοντέλων στη Ρευστομηχανική και την Υδραυλική για προβλήματα που αφορούν την επιστήμη του Πολιτικού Μηχανικού.

Μετά την επιτυχή παρακολούθηση του μαθήματος ο/η φοιτητής/ρια αποκτά τις δεξιότητες:

• να εφαρμόζει είτε στη συνέχεια των σπουδών του είτε επαγγελματικά, τις γνώσεις και τις ικανότητες που αναφέρονται προηγούμενα.

Προτεινόμενα συγγράμματα

Πρωτότυπη ελληνική διαθέσιμη από ΕΥΔΟΞΟ

Κουτίτας ΧΓ (2005). Υπολογιστική Υδραυλική, Εκδ. Επίκεντρο, Σελ.: 199, ISBN:9789606645501

Μεταφρασμένη στα ελληνικά Βιβλιογραφία διαθέσιμη από ΕΥΔΟΞΟ

J.H. Ferziger - M. Peric (2002). Υπολογιστική ρευστοδυναμική. Εκδόσεις Fountas, ISBN-13:9789603307495, ISBN-10: 9603307491

Ελεύθερα διαθέσιμα σε μορφή pdf:

Σούλης, Ι. (2015). Υπολογιστικές τεχνικές υδραυλικής μηχανικής. Kallipos, Open Academic Editions. http://hdl.handle.net/11419/3997

Συλαίος, Γ., & Μουτσόπουλος, Κ. (2015). Περιβαλλοντική Υπολογιστική Ρευστομηχανική [Προπτυχιακό εγχειρίδιο]. Κάλλιπος, Ανοικτές Ακαδημαϊκές Εκδόσεις. https://dx.doi.org/10.57713/kallipos-643

Κρεστενίτης Γ.Ν., Κομπιάδου Κ.Δ., Μακρής Χ.Β., Ανδρουλιδάκης Γ.Σ., Καραμπάς Θ.Β. (2015). Παράκτια Μηχανική – Θαλάσσια Περιβαλλοντική Υδραυλική, Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα, Κάλλιπος, Αθήνα. Link: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2789?locale=en

Οργάνωση του μαθήματος

Θα γίνει εκτενής διδασκαλία θεωρίας με αναφορά σε πρακτικές εφαρμογές και ασκήσεις σε εκείνα τα κεφάλαια που επιβάλλεται. Οι διαλέξεις θα γίνουν με τη χρήση λογισμικού προβολής διαφανειών σε Η/Υ και projector. Θα γίνεται χρήση αρχείων πολυμέσων, εικόνων, και βίντεο, με ταυτόχρονη αναζήτηση πληροφοριών στο διαδίκτυο.

Θα διεξάγεται επίσης επίλυση αποριών των φοιτητών κάθε εβδομάδα (κάθε Τετάρτη 10:00-13:00) στο γραφείο του Διδάσκοντα (Γραφείο Γ-Α.6.1, Κτίριο Β’, Ισόγειο ΤΥΕ, ΔΠΘ). 

Ο κύριος τρόπος εξέτασης και βαθμολόγησης θα είναι η τελική προφορική εξέταση με παρουσίαση των αποτελεσμάτων του θέματος εξαμήνου. Η βαθμολογία θα είναι με άριστα το 10, ενώ θα μεσοσταθμίζεται η τελική βαθμολογία μαθήματος με βάση τη συμμετοχή στο μάθημα και τη συνολική απόδοση των φοιτητών/ριών στις διαλέξεις.

Αναλυτικός χρονικός προγραμματισμός του μαθήματος σε επίπεδο εβδομάδας

1^η Εβδομάδα:

Γνωριμία με φοιτητές. Επεξήγηση της οργάνωσης του μαθήματος (θεωρίας, πρακτικών εφαρμογών, ασκήσεων και εργασιών). Καθορισμός τρόπων επικοινωνίας για διορθώσεις θέματος και επίλυση αποριών. Καθορισμός τρόπου εξέτασης και βαθμολόγησης μαθήματος. Καθορισμός προαπαιτούμενων γνώσεων και ύλη για την οποία απαιτείται επανάληψη. Εξοικείωση φοιτητών με το format του υλικού διδασκαλίας και εργασίας. Εισαγωγή στο υλικό διδασκαλίας. Σύντομη παρουσίαση (τίτλοι και περιγραφή) της διδακτέας ύλης. Πρώτη εξοικείωση με την ορολογία του μαθήματος. Μοίρασμα σημειώσεων και βιβλιογραφίας σε μορφές pdf. Προγραμματισμός έναντι απωλειών διδακτικών ωρών σε σχέση με αργίες κ.λπ.

Ανακεφαλαίωση/υπενθύμιση βασικών εννοιών Υδραυλικής και Μηχανικής Ρευστών. Εισαγωγή στη Ρευστοδυναμική. Εισαγωγή στα Μαθηματικά Μοντέλα και στα Υπολογιστικά/Αριθμητικά Μοντέλα Προσομοίωσης. Πλαίσιο αριθμητικής μοντελοποίησης. Καλά δομημένα μαθηματικά μοντέλα και αριθμητικές προσεγγίσεις. Διακριτοποίηση και αριθμητική επίλυση μαθηματικών/αριθμητικών μοντέλων.  Αξιοπιστία μοντέλων προσομοίωσης. Εισαγωγή στην ανάπτυξη και εφαρμογή αριθμητικών μοντέλων. Εισαγωγή στις μεθόδους πεπερασμένων διαφορών.

2^η Εβδομάδα:

Στοιχεία αριθμητικής ανάλυσης (αριθμητική προσέγγιση και παρεμβολή, αριθμητική ολοκλήρωση, επίλυση συστημάτων εξισώσεων, σειρές Fourier, πεπερασμένες διαφορές, αριθμητική λύση αλγεβρικών συστημάτων).

3^η Εβδομάδα:

Εισαγωγή Διαφορικές Εξισώσεις, Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (Ordinary Differential Equations – ODEs). Μέθοδοι επίλυσης. Παραδείγματα εφαρμογής. Διαχείριση δεξαμενής αποθήκευσης νερού. Αριθμητικές λύσεις διόδευσης νερού από ταμιευτήρα. Διαχείριση ποιότητας νερού σε λιμνοθάλασσα. Αρχικές και οριακές συνθήκες.  

4^η Εβδομάδα:

Διαφορικές Εξισώσεις με Μερικές Παραγώγους (Partial Differential Equations – PDEs). Τύποι εξισώσεων: παραβολικές, υπερβολικές, ελλειπτικές PDEs. Μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών (Finite Differences Method). Κάνναβος και Πλέγμα. Έκκεντροι κάνναβοι. Δομημένα και αδόμητα πλέγματα. Αρχικές και οριακές συνθήκες. Κριτήρια ευστάθειας και ακρίβειας επίλυσης (κριτήριο Courant κ.λπ.). Ταξινόμηση διαφορικών εξισώσεων με μερικές παραγώγους. Χαρακτηριστικές κατευθύνσεις σύνθεσης αριθμητικού προβλήματος και επίλυσης. Αριθμητικές λύσεις. Ελλειπτικές διαφορικές εξισώσεις με μερικές διαφορές. Εξίσωση Laplace. Επαναληπτική μέθοδος Gauss-Seidel για λύση γραμμικού αλγεβρικού συστήματος διαφορικών εξισώσεων. Προσέγγιση Οριακών Συνθηκών. Επίλυση παραβολικών διαφορικών εξισώσεων με μερικές διαφορές. Εξίσωση διάχυσης.

5^η Εβδομάδα:

Αριθμητικά σχήματα: Εμπρόσθιο στο χρόνο, κεντρικό στο χώρο (FTCS). Αριθμητικό σχήμα Crank-Nicolson. Επίλυση υπερβολικών PDEs. Εξίσωση κυμάτων. Ρητό αριθμητικό σχήμα Euler. Αριθμητικό σχήμα Godunov. Αριθμητικό σχήμα Lax και Lax-Wendroff. Aριθμητικό σχήμα Fromm. Σχήμα Total variation diminishing (TVD). Αριθμητική τεχνική Leap-frog. Αριθμητική τεχνική Runge-Kutta. Παράδοση θέματος εξαμήνου.

6^η Εβδομάδα:

Εφαρμογή σε ροές σε κλειστούς αγωγούς (μόνιμη ροή σε δίκτυα υπό πίεση - μέθοδος Cross ή Hardy-Cross, μη μόνιμη ροή - υδραυλικό πλήγμα). Ροή σε αγωγούς υπό πίεση. Βασικές αρχές της ροής σε δίκτυα κλειστών αγωγών. Εξίσωση συνέχειας (διασταύρωση). Εξίσωση ενέργειας (βρόχου). Μέθοδος Hardy Cross. Μη μόνιμη ροή σε κλειστό αγωγό. Εξίσωση συνέχειας και ορμής για υδραυλικό πλήγμα. Γραμμικοποίηση εξισώσεων υδραυλικού πλήγματος. Αριθμητική επεξεργασία των εξισώσεων. Αρχικές συνθήκες. Οριακές συνθήκες. Αριθμητικός αλγόριθμος.

7^η Εβδομάδα:

Εφαρμογές σε ροές ανοιχτών αγωγών και ροές με ελεύθερη επιφάνεια (μόνιμη ανομοιόμορφη ροή, μαθηματικό ομοίωμα μη μόνιμης ροής, μετάδοση πλημμυρικού κύματος). Ημι-οριζόντιες ροές με ελεύθερη επιφάνεια. Μονοδιάστατη ροή ανοιχτού αγωγού (καναλιού). Σταδιακά μεταβαλλόμενη μη ομοιόμορφη ροή. Μέθοδος Newton-Raphson. Προφίλ επιφάνειας νερού. Μη μόνιμη ροή ανοιχτού αγωγού. Βασικές εξισώσεις. Αλγόριθμος αριθμητικής λύσης. Ανάλυση θέματος εξαμήνου.

8^η Εβδομάδα:

Δισδιάστατες οριζόντιες ροές ελεύθερης επιφάνειας. Βασικές εξισώσεις. Αρχικές και οριακές συνθήκες. Εφαρμογές σε ροές υδροδυναμικής κυκλοφορίας στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον. Τάσεις ακτινοβολίας. Σχήμα αριθμητικής λύσης. Στρωματοποιημένες γεωφυσικές ροές. Βασικές εξισώσεις. Μονοδιάστατο στρωματοποιημένο σύστημα.

9^η Εβδομάδα:

Αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης κυματικής διάδοσης. Εφαρμογές υπολογιστικής προσομοίωσης της διάδοσης επιφανειακών κυματισμών βαρύτητας. Κυματικά μοντέλα. Εξισώσεις ήπιας κλίσης ακτής (παραβολικές, υπερβολικές, ελλειπτικές). Εξισώσεις τύπου Boussinesq. Παραδείγματα κυματικών μοντέλων επίλυσης στη φάση του κύματος. Προσέγγιση κυματικών μοντέλων 3^ης γενιάς (μεσοσταθμισμένα στη φάση του κύματος) για σύνθετους κυματισμούς.

10^η Εβδομάδα:

Εφαρμογές σε προβλήματα διάχυσης-διασποράς (μαθηματικό ομοίωμα διάχυσης-διασποράς, αριθμητική επίλυση). Παραδείγματα λογισμικού μεταφοράς ρύπων (μέθοδοι μεταφοράς τύπου Lagrange, παραδείγματα προσομοίωσης ρύπανσης από πετρελαιοειδή κ.λπ.). Μέθοδοι παρασυρόμενων σωματιδίων. Μαθηματική διατύπωση. Αριθμητικές λύσεις του μοντέλου διάχυσης-διασποράς, συναγωγής – μεταγωγής και μεταφοράς. Εισαγωγή στη μεθόδου random-walk. Ανάλυση της μεταφοράς και ανάμιξης διαλυμάτων και αιωρημάτων σε θαλάσσιους και λιμναίους (υδάτινους) αποδέκτες και οικοσυστήματα. Συντελεστές οριζόντιας και κατακόρυφης ανάμιξης. Ανάλυση (πυκνομετρικού και απλού) αριθμού Richardson και Froude. Μαθηματικοποίηση της επίδρασης της στρωμάτωσης στην ταχύτητα καθίζησης και παρουσίαση των όρων πηγής και απώλειας διαλύματος και αιωρήματος στα μοντέλα κυκλοφορίας, διάχυσης και διασποράς. Μοντέλα μεταφοράς – διασποράς φερτών υλών με χρήση της μεθόδου του ιχνηθέτη. Αναφορά σε συντηρητικούς και αποδομήσιμους ρύπους με επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς. Παρουσίαση τυπικών υπολογιστικών εργαλείων και μαθηματικών ομοιωμάτων. Παραδείγματα από έτοιμα πακέτα λογισμικού: HEC-HMS (MUSLE), QUAL2K, DHI’s MIKE, ECO Lab, CORMIX, Visual Plumes, ELCOM-CAEDYM, ECOSIM-POM, κ.λπ.

11^η Εβδομάδα:

Εισαγωγή στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Μέθοδοι σταθμισμένων υπολοίπων. Μέθοδος συνεγκατάστασης. Μέθοδος ελαχίστων τετραγώνων. Μέθοδος ροπών. Μέθοδος Galerkin. Μέθοδος Rayleigh-Ritz. Εξίσωση Telegrapher. Σύστημα εξισώσεων Saint-Venant. Μέθοδος οριακών στοιχείων. Μαθηματικό υπόβαθρο. Προσεγγίσεις για την προσομοίωση τυρβωδών ροών και μοντέλα τύρβης (RANS, LES, DNS). Μοντέλα μηδενικής εξίσωσης. Μοντέλα μιας εξίσωσης. Μοντέλα δύο εξισώσεων. Μοντέλα κλεισίματος δεύτερης τάξης (μοντέλα τάσης Reynolds). Αλγεβρικά μοντέλα τάσεων Reynolds. Επιδράσεις συμπιεστότητας. Μέθοδος Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (Large Eddy Simulation, LES). Φιλτράρισμα, υποπλεγματικές τάσεις κλίμακας και ενεργειακά φάσματα. Βασικές Εξισώσεις LES για Συμπιεστές Ροές. Μοντελοποίηση υποπλεγματικής κλίμακας. Μέθοδος άμεσης αριθμητικής προσομοίωσης (Direct Numerical Simulation, DNS). Μέθοδοι επίλυσης, αρχικές και οριακές συνθήκες. Μοντέλα Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS).

12^η Εβδομάδα:

Εισαγωγή στις μη-πλεγματικές μεθόδους. Εισαγωγή στη σωματιδιακή μέθοδο Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Βασική ιδέα της μεθόδου SPH. Θεμελιώδεις σχέσεις και παραδοχές της μεθόδου SPH. Ολοκληρωματική (ασθενής) προσέγγιση συναρτήσεων. Ολοκληρωματική (ασθενής) προσέγγιση διαφορικών. Αναπτύγματα εξισώσεων με τη χρήση αθροισμάτων. Πεδία υποστήριξης και επιρροής. Τελεστές παρεμβολής SPH. Συναρτήσεις στάθμισης - Πυρήνας εξομάλυνσης. Βασικοί τύποι πυρήνα εξομάλυνσης. Μήκος εξομάλυνσης και συμμετρία σωματιδιακής αλληλεπίδρασης. Εξισώσεις Navier-Stokes για τη μέθοδο SPH. Διακριτοποιημένες εξισώσεις Navier-Stokes τύπου Lagrange. Διακριτοποιημένες εξισώσεις Navier-Stokes κατά SPH. Οριακές συνθήκες στη μέθοδο SPH. Τεχνητή συμπιεστότητα και καταστατική εξίσωση για την πίεση. Τεχνητή υπολογιστική ταχύτητα του ήχου. Αλγόριθμοι και βήμα επίλυσης στο χρόνο. Εγγενή σφάλματα της μεθόδου SPH. Τανυστική αστάθεια. Τεχνικές διόρθωσης της μεθόδου SPH. Μοντέλα Τύρβης SPH. Διάχυση και διάτμηση στη μέθοδο SPH. Τελεστής Laplace για το πεδίο των ταχυτήτων (συνεκτική στρωτή ροή). Διατμητικές τάσεις με προσέγγιση τυρβώδους συνεκτικότητας. Μοντέλα «κλεισίματος» της τύρβης τύπου LES. Κλασικό μοντέλο τύπου Smagorinsky. Προσομοίωση μεγάλων δινών LES-SPH. Αριθμητικές τεχνικές ολοκλήρωσης: πρόβλεψης - διόρθωσης τύπου Euler, Verlet, Beeman, Συμπλεκτικός αλγόριθμος. Οριακές συνθήκες: Δυναμικές και Ανακλαστικές κατά Lennard-Jones, περιοδικές συνθήκες ανοιχτών.

13^η Εβδομάδα:

Παραδείγματα. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα όλων των μεθόδων αριθμητικής επίλυσης. Απορίες και επιλύσεις προβλημάτων των θεμάτων εξαμήνου. Επανάληψη – συμπερασματική ολοκλήρωση συνεδριών. 

Προφορική εξέταση και παρουσιάσεις θεμάτων.