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Numerical modelling of wave and wave-current attenuation by submerged flexible vegetation

GND
1229651268
Affiliation/Institute
Leichtweiß-Institut für Wasserbau
Hadadpour, Sanaz

Recently, coastal protection has developed to one of the most crucial and urgent issues, resulting in a significant number of research studies on the role of vegetation in shore protection. Therefore, numerous studies have been conducted to understand the wave-vegetation interactions and the damping effects of vegetative fields. There is a general agreement that many complex physical processes are involved in the interaction of waves and currents with vegetation. Hence, there is still a need for further research of wave and/or current-vegetation interactions to improve the understanding of eco-hydraulic processes. 
There are only very few studies that address the effect of currents on wave attenuation by vegetation. From these studies, it is concluded that an underlying current should be taken into account for evaluating wave attenuation by vegetation; ignoring that the effect of underlying currents may result in incorrect predictions of the wave-attenuating capacity of vegetation in tidal environments. Therefore, further research is necessary to enhance the knowledge of wave-current-vegetation interaction and to quantify the effect of underlying currents on wave attenuation by vegetation. This study therefore aims to improve the understanding of the highly complex hydrodynamic processes involved in the attenuation of waves and currents by flexible vegetation.
For this purpose, a new porous-media based approach for the modelling of wave attenuation by vegetation is applied using the CFD solver “PorousWaveFoam” in the frame of OpenFOAM®. For flexible vegetation, the most suitable empirical formulation for the deflected plant height within a meadow is introduced in the model, and the extended model is systematically validated against laboratory tests under pure wave and wave-current conditions. A systematic parameter study is performed to better understand the relative contribution of the physical processes to the attenuation of waves by vegetation and thus, to provide a substantially larger dataset for the development of new formulae for the prediction of wave attenuation by flexible vegetation under pure wave and wave-current conditions. The results show that the proposed porous media approach and the developed formulae perform relatively well for predicting wave attenuation by flexible vegetation.

Küstenschutz hat sich in jüngster Vergangenheit zu einer der kritischsten und dringlichsten Herausforderungen in den Ingenieur- und Naturwissenschaften entwickelt. Daher wurden bereits zahlreiche wissenschaftliche Studien zur Erforschung der Interaktion zwischen Wellen und Vegetation durchgeführt um die wellendämpfende Wirkung von Vegetationsfeldern zu beschreiben. Aus der Literaturstudie zum Einfluss der Vegetation auf die Wellendämpfung geht hervor, dass generell Übereinstimmung über die Komplexität der physikalischen Wirkzusammenhänge in der Interaktion zwischen Wellen und Strömung mit Vegetation besteht. Um das Wissen über die Öko-hydraulischen Prozesse zu verbessern besteht daher weiterer Forschungsbedarf zur Interaktion zwischen Wellen und/oder Strömung und Vegetation.
Durch die Komplexität wurde in einer Vielzahl bisheriger Studien der Einfluss von Strömung auf die Dissipation der Wellenenergie durch Vegetation vernachlässigt. Nach bestem Wissen der Autorin liegt nur eine geringe Anzahl an Studien über den Effekt der Strömung auf die Wellendämpfung durch Vegetation vor. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, die Erkenntnisse der hoch komplexen hydrodynamischen Prozesse bei der Dämpfung der Wellen und Strömung durch flexible Vegetation zu verbessern. Dies beinhaltet die präzise und systematische Identifikation der Schlüsselparameter, die eine solche Wellendämpfung beeinflussen.
Aus diesem Grund wurde ein neuer Ansatz für die Wellendämpfung durch Vegetation basierend auf der Modellierung von porösen Medien verwendet. Hierfür wurde der CFD Löser “PorousWaveFoam” in OpenFOAM genutzt. Für flexible Vegetation wird die geeignetste empirische Funktion zur Berechnung der Höhe der durchgebogenen Pflanze verwendet. Unter Verwendung des erweiterten Modells wird eine Parameterstudie durchgeführt, um so ein besseres Verständnis über den relativen Beitrag der physikalischen Prozesse zur Wellendämpfung durch Vegetation zu erzielen und folglich um einen größeren Datensatz zur Entwicklung von neuen Funktionen für die Abschätzung der Wellendämpfung durch flexible Vegetation unter Einwirkung von Wellen allein sowie von Wellen und Strömung kombiniert zu generieren.

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