ROMS based hydrodynamic modelling focusing on the Belgian part of the southern North Sea

The North Sea is a shallow sea that forms a complex physical system. The nonlinear interaction of the astronomical tides, varying wind fields and varying pressure systems requires appropriate approaches to be described accurately. An application based on the advanced numerical model Regional Ocean Modeling System (ROMS) was newly developed by the authors, tailored to simulate these hydrodynamic processes in the North Sea and the Belgian Continental Shelf, which is the area of particular interest in the present study. The purpose of this work is to develop and validate a state-of-the-art three-dimensional numerical model to form the basis of a compound operational and forecasting tool for the Belgian coastal zone. The model was validated with respect to water levels and temperature. Validation for astronomical tides was accomplished through the comparison of the principal constituents between the model results and observations at a number of tidal gauges in Belgium and other countries. A statistical analysis of the results showed that the model behaves as expected throughout the North Sea. The model response to the varying meteorological conditions was also validated using hindcast data for 2011 as input. In this case, the comparison between observed and modelled water levels showed a good agreement with average RMSE in Belgium 9.5 cm. Overall, the added value of this work is the development of an independent model for validation and comparison with other models and which can be used as an efficient tool for operational and forecasting purposes

Giant Popliteal Artery Aneurysm: Case Report and Review of the Literature

Popliteal artery aneurysms (PAAs) are rare in general population but represent the second most common peripheral arterial aneurysms following those located in the aortoiliac segment. They usually affect men over 60 years old with established cardiovascular disease caused by atherosclerosis. Other more unusual conditions such as trauma, congenital popliteal aneurysm, mycotic aneurysm, inflammatory arteritis, or popliteal entrapment are responsible. The authors report the first ever case of a male diagnosed with chronic renal failure with giant popliteal artery aneurysm. We have successfully resected the aneurysm and revascularized with synthetic graft

Μορφοδυναμική ακτής με υφάλους κυματοθραύστες

Nowadays, over 40 percent of the global population lives in coastal areas, where the largest cities in the world are also located. With more people crowding in these vulnerable zones undue pressures are imposed over both land and sea. The combination of human activities and natural processes often results to increased erosion and loss of beaches.Until recently, the great majority of coastal interventions to enhance coastline stability relied on the “hard” protection concept which includes the construction of large structures made of concrete or natural stones, similar to harbour breakwaters. During the recent years, submerged breakwaters have stimulated the scientific interest as a milder alternative solution to conventional emergent ones for coastal defense. The main objective of the present PhD thesis is twofold. At first, to contribute to the understanding of the behaviour of submerged breakwaters. Secondly, to develop an integrated numerical model that simulates the relevant complex hydrodynamic and morphodynamic processes. In addition, the dissertation included the performance of laboratory measurements for also studying these processes experimentally.The first step was to choose the suitable wave model that forms the basis of the specific project. In this context, upgraded versions, with respect to their nonlinear characteristics, of two existing Boussinesq-type models were derived. The final choice of the basic solver was accomplished through a nonlinear mathematical analysis and inter-comparison of a number of different Boussinesq-type wave models.Then, a compound numerical model was developed which combined four different modules. This integrated tool includes: the wave module, the hydrodynamic module for simulating the wave-induced currents, the sediment transport module and the geomorphological module. These modules are successively applied using an automatic coupled procedure for describing short-term bed morphology evolution. The compound model was extended to porous beds and thus it also accounts for wave propagation over permeable submerged breakwaters. The accuracy and efficiency of all the individual modules were checked through a thorough validation against experimental measurements which are available in the international literature. In addition, two horizontal dimensional laboratory experiments were conducted in order to study the morphological evolution of a sandy beach in the lee of a permeable submerged breakwater. These measurements were also used for validating the compound numerical model.Finally, a number of numerical experiments were performed using layouts which included arrays of submerged breakwaters. In particular, the effect of a number of basic design parameters on the shoreline response was studied. Thus, some conclusions and general guidelines were derived for the design of these structures. The dissertation ends with the summary of the main conclusions and some suggestions for further research on the discussed issues.Σήμερα, πάνω από το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού κατοικεί σε παράκτιες περιοχές, όπου συγκεντρώνεται και η πλειοψηφία των μεγαλουπόλεων. Η υπερσυγκέντρωση πληθυσμών στις ευαίσθητες αυτές ζώνες συνεπάγεται υπερβολικές πιέσεις τόσο στη στεριά, όσο και στη θάλασσα. Ο συνδυασμός των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των φυσικών διεργασιών οδηγεί συχνά στην εκτεταμένη διάβρωση των ακτών.Μέχρι πρόσφατα, τα παράκτια έργα βασίζονταν στη λογική της λεγόμενης «σκληρής» προστασίας, η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή ογκωδών έργων από σκυρόδεμα ή φυσικούς ογκόλιθους, παρόμοια με τους κυματοθραύστες των λιμένων. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι ύφαλοι κυματοθραύστες έχουν κινήσει το επιστημονικό ενδιαφέρον ως μία ηπιότερη εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών για την παράκτια προστασία. Ο βασικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι διπλός. Καταρχάς, να συνεισφέρει στην κατανόηση των συμπεριφοράς των ύφαλων κυματοθραυστών. Κατά δεύτερον, να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό μοντέλο για την προσομοίωση των σύνθετων υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών διεργασιών που σχετίζονται με τα έργα αυτά. Η Διατριβή περιλάμβανε επίσης την εκτέλεση εργαστηριακών μετρήσεων για την επιπλεόν μελέτη των διεργασιών αυτών πειραματικά. Το πρώτο βήμα ήταν η επιλογή του κατάλληλου κυματικού μοντέλου που αποτελεί τη βάση της εργασίας. Στα πλαίσια αυτής εξήχθησαν βελτιωμένες, ως προς τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά τους, εκδόσεις δύο υπάρχοντων μοντέλων τύπου Boussinesq. Η τελική επιλογή της μορφής των βασικών εξισώσεων πραγματοποιήθηκε μέσω μη γραμμικής μαθηματικής ανάλυσης και σύγκρισης διαφόρων μοντέλων τύπου Boussinesq. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα σύνθετο αριθμητικό μοντέλο που συνδυάζει τέσσερα υπομοντέλα σε μία ενιαία μορφή. Το σύνθετο αυτό εργαλείο περιλαμβάνει: κυματικό μοντέλο, υδροδυναμικό μοντέλο για την προσομοίωση των κυματογενών ρευμάτων, μοντέλο παράκτιας στερεομεταφοράς και μοντέλο γεωμορφολογίας. Τα υπο-μοντέλα εφαρμόζονται διαδοχικά, το ένα μετά το άλλο, σε μία αυτοματοποιημένη και ενοποιημένη διαδικασία, με τελικό αποτέλεσμα την προσομοίωση βραχυπρόθεσμων μεταβολών της μορφολογίας του πυθμένα. Μάλιστα, το σύνθετο μοντέλο επεκτάθηκε σε πορώδεις πυθμένες, ώστε να εφαρμόζεται και για διαπερατούς ύφαλους κυματοθραύστες. Η ακρίβεια και αξιοπιστία καθενός από τα υπομοντέλα ελέγχθηκε μέσω εκτενούς επαλήθευσης με πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας.Επιπλέον, εκτελέστηκαν εργαστηριακά πειράματα δύο οριζόντιων διαστάσεων, κατά τη διάρκεια των οποίων μετρήθηκε η εξέλιξη της τοπογραφίας αμμώδους πυθμένα κατάντη διαπερατού ύφαλου κυματοθραύστη. Οι μετρήσεις αυτές χρησίμευσαν και για την επαλήθευση του σύνθετου αριθμητικού μοντέλου. Τέλος, εκτελέστηκε μια σειρά από αριθμητικά πειράματα σε διατάξεις που περιλάμβαναν συστήματα ύφαλων κυματοθραυστών. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η απόκριση της ακτογραμμής στις μεταβολές κάποιων βασικών παραμέτρων σχεδιασμού των ύφαλων κυματοθραυστών. Έτσι, εξήχθησαν κάποια συμπεράσματα και γενικές κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό των έργων αυτών.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη σύνοψη των βασικών συμπερασμάτων και την αναφορά κάποιων προτάσεων για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το αντικείμενο που εξετάστηκε

Contribution in wave-breaking modelling in a post-Boussinesq model

350 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πoλυτεχνείο--Μεταπτυχιακή εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) "Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων"Τα μαθηματικά μοντέλα αποτελούν πλέον τον καθιερωμένο τρόπο μελέτης της διάδοσης κυματισμών στην παράκτια ζώνη. Ανάμεσα σε αυτά, τα μοντέλα τύπου Boussinesq κατέχουν εξέχουσα θέση. Βασίζονται στις ολοκληρωμένες στο βάθος εξισώσεις συνέχειας και ορμής και περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά διασποράς και μη-γραμμικότητας. Ένα πλήθος εργασιών έχει εκπονηθεί με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης των χαρακτηριστικών αυτών. Οι Karambas και Memos (2009) παρουσίασαν ένα εξελιγμένο μοντέλο τύπου Boussinesq που περιγράφει τη διάδοση πλήρως διασπειρόμενων και ελαφρώς μη-γραμμικών κυματισμών σε οποιοδήποτε βάθος. Το μοντέλο εφαρμόζεται για απλούς και σύνθετους κυματισμούς σε περιοχές σταθερού βάθους ή ήπια μεταβαλλόμενης βυθομετρίας. Αποτελείται από ένα σύστημα εξισώσεων σε δύο (2D) ή μία (1D) οριζόντιες διαστάσεις. Η προσομοίωση της θραύσης κυματισμών στα μοντέλα τύπου Boussinesq αποτελεί πεδίο επιστημονικής έρευνας. Η προσθήκη της στο μοντέλο των Karambas και Memos (2009) έχει γίνει κατά το παρελθόν τόσο βάσει της τεχνικής του επιφανειακού κυλίνδρου (surface roller breaker), όσο και βάσει της τεχνικής της τυρβώδους συνεκτικότητας (eddy viscosity breaking model). Ακολουθώντας την πρόταση των Cienfuegos et al. (2010), το μονοδιάστατο μοντέλο των Karambas και Memos (2009) επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει την επίδραση της θραύσης τόσο στην εξίσωση ορμής, όσο και στην εξίσωση συνέχειας προσθέτοντας επιπλέον όρους θραύσης. Το 1D μοντέλο περιλαμβάνει όρους της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας ζ και της μέσης κατά το βάθος ταχύτητας U. Στην περιοχή της θραύσης γίνεται ένας ξεκάθαρος διαχωρισμός μεταξύ της περιοχής όπου μπορεί να εφαρμοστεί η θεωρία δυναμικού και της τυρβώδους περιοχής του επιφανειακού κυλίνδρου από πάνω της. Οι όροι θραύσης ενεργοποιούνται όταν η κλίση της ελεύθερης επιφάνειας ξεπεράσει μία οριακή τιμή και απενεργοποιούνται όταν γίνει μικρότερη από μία άλλη χαμηλότερη οριακή τιμή. Η μορφή των όρων θραύσης είναι τέτοια ώστε να διασφαλίζεται η συνολική διατήρηση της μάζας και της ορμής σε ένα γεγονός θραύσης, σε αντίθεση με τις προηγούμενες προσεγγίσεις προσομοίωσης της θραύσης. Στα πλαίσια της εργασίας έγινε διερεύνηση του απλού ρητού σχήματος πεπερασμένων διαφορών (FTCS) που προτάθηκε αρχικά. Το σχήμα αυτό εξασφαλίζει μικρούς υπολογιστικούς χρόνους και αποδίδει ικανοποιητικά για μικρούς χρόνους προσομοίωσης, αλλά δεν παρουσιάζει σύγκλιση και για μεγαλύτερους χρόνους εμφανίζει προβλήματα αριθμητικής αστάθειας, ιδίως όταν συμπεριληφθεί και η θραύση. Έτσι, η αριθμητική επίλυση έγινε με ένα σχήμα πεπερασμένων διαφορών (3ης τάξης) πρόβλεψης- (4ης τάξης) διόρθωσης Adams- Bashforth- Moulton. Το στάδιο διόρθωσης περιλαμβάνει επαναληπτική διαδικασία ώσπου το μοντέλο να συγκλίνει με επιθυμητή ακρίβεια. Το μοντέλο επαληθεύτηκε σε σχέση με αρκετά σετ πειραμάτων για θραυόμενους κυματισμούς. Τα πειράματα αφορούσαν σε απλούς μονοχρωματικούς κυματισμούς, κύματα cnoidal, μοναχικό κύμα και σύνθετους κυματισμούς. Εκτός των πειραματικών καταγραφών, γίνεται σύγκριση και με τα αποτελέσματα του εμπορικού μοντέλου MIKE 21 BW. Το μοντέλο αυτό είναι επίσης ήπιας μη-γραμμικότητας με βελτιωμένα χαρακτηριστικά διασποράς. Για λόγους πληρότητας γίνεται μία σύντομη περιγραφή του προγράμματος. Επίσης, τα αποτελέσματα του προτεινόμενου μοντέλου συγκρίνονται με τα αντίστοιχα των προηγούμενων εκδόσεων του μοντέλου των Karambas και Memos (2009) με προσομοίωση της θραύσης βάσει της τεχνικής του επιφανειακού κυλίνδρου και της τυρβώδους συνεκτικότητας. Τέλος, έγινε διερεύνηση σε σχέση με την ευαισθησία ως προς κάποιες παραμέτρους που υπεισέρχονται στο μοντέλο. Το προτεινόμενο μοντέλο έδειξε γενικά βελτιωμένη απόκριση, ενώ το σχήμα πρόβλεψης-διόρθωσης (predictor-corrector) εξασφάλισε την αριθμητική ευστάθεια της λύσης. Βέβαια, υπάρχουν αρκετές προοπτικές επέκτασης του μοντέλου, όπως η αύξηση της τάξης μη-γραμμικότητας, η προσομοίωση των μη-γραμμικών κυματικών αλληλεπιδράσεων (wave-wave interactions), η προσομοίωση της αναρρίχησης στην ακτή και η επέκταση της θραύσης σε δύο διαστάσεις. Τελικός σκοπός είναι η σύνδεση του μοντέλου με κάποιο μοντέλο παράκτιας στερεομεταφοράς και διάβρωσης του πυθμένα και των ακτών. Αυτές οι κατευθύνσεις μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο μελλοντικής έρευνας.Mathematical models are nowadays the standard way of investigating wave propagation in the coastal zone. The most important among them are the Boussinesq-type models. They rely on the depth integrated continuity and momentum equations which contain characteristics of dispersion and non-linearity. Numerous works have been elaborated in order to improve these characteristics. Karambas and Memos (2009) presented a post-Boussinesq model for fully dispersive and weakly non-linear waves at any water depth. This model is valid for regular and irregular waves propagating over constant or slowly varying depth. It consists of a system of equations in two (2D) or one (1D) horizontal dimensions. Wave-breaking simulation in Boussinesq-type models has been a field of scientific research. Wave-breaking based on the surface roller approach and on the eddy viscosity approach has been included in Karambas and Memos’s (2009) model during the past. Following the formulation by Cienfuegos et al. (2010), the one-dimensional Karambas and Memos’s (2009) model is expanded to include the breaker effects in both the momentum and continuity equations by adding extra dissipative terms. The 1D model is expressed in terms of surface elevation ζ and depth-averaged horizontal velocity U. In the vicinity of the breaker there is a clear distinction between the organized layer where potential flow theory can be applied and the turbulent roller region above it. The breaking terms are activated if the slope of the free surface overcomes a critical value and are deactivated if it becomes less than another lower critical value. The form of the breaking terms ensures overall mass and momentum conservation over a breaking event in contrary to previously proposed breaking models. In the present work the initially proposed simple explicit finite difference scheme (FTCS) is investigated. This scheme ensures short computational time and performs well for short simulating time but it doesn’t converge and also numerical instability appears for longer simulating time, especially when wave-breaking is included. That’s why the numerical solution was accomplished by a finite difference (3rd order) predictor- (4th order) corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme. The corrector stage is iterated until the model converges to a set accuracy. The model was verified through comparison against several sets of experimental data for breaking waves. The tests refer to monochromatic waves, cnoidal waves, solitary wave and irregular waves. Apart from the experimental measurements, there is also a comparison with the results of the commercial model MIKE 21 BW. This model is also weakly non-linear and includes improved characteristics of dispersion. It is described briefly to have a clear point of view. In addition, the results of the proposed model are compared to those of its previous wave-breaking versions based on the surface roller technique and on the eddy viscosity method. Finally, the sensitivity of the model to some involved variables was investigated. The proposed model showed in general improved response, while the predictor-corrector scheme ensured numerical stability of the solution. Of course, there are many perspectives for the expansion of the model, such as the increase of the order of non-linearity, the modelling of the non-linear wave-wave interactions, the modelling of wave run-up and the expansion of this wave-breaking approach in two dimensions. The final aim is the combination of the model with a coastal sediment transport model and a bed and shore erosion model. These directions can be objectives of a future research.Γεώργιος Θ. Κλωνάρη

High-order Boussinesq-type model for integrated nearshore dynamics

A two-dimensional high-order Boussinesq-type model was derived to simulate wave propagation and relevant processes in the nearshore zone. Because of its enhanced nonlinear character, the model can describe more accurately the amplitude dispersion compared to its weakly nonlinear counterpart. Extension to the surf zone was accomplished using the eddy-viscosity concept for simulating breaking waves. Swash-zone dynamics were simulated by applying a modified narrow-slot technique. Bottom friction and subgrid turbulent mixing were also incorporated. The model can estimate the wave-induced current field, including the undertow effect. The numerical model relied on a generalized multistep predictor-corrector scheme, and the waves were generated using the source function method. Both the one-horizontal-dimensional (1DH) and two-horizontal-dimensional (2DH) versions were validated against a variety of experimental tests, including regular and irregular wave propagation and breaking on plane beaches and submerged shoals. Breaking and run-up of a solitary wave were also modeled. Furthermore, a wave overtopping test was also included. Oblique long-crested irregular wave incidence and a test including a rip channel were simulated to check the model's performance. The agreement, in general, is satisfactory, and most of the nearshore phenomena were accurately reproduced

Boussinesq-type modeling of sediment transport and coastal morphology

A two horizontal dimensional compound model is developed to simulate coastal sediment transport and bed morphology evolution due to wave action. The wave module is a higher-order Boussinesq-type model. The bed load in the surf zone is computed from an advanced semi-empirical formula while the suspended load can be calculated through the solution of the advection-diffusion equation for the sediment or alternatively from a simplified formula. The estimation of the sediment transport in the swash zone is based on the ballistic theory. The unified sediment transport module is valid under combined waves and currents including the wave asymmetry and phase-lag effects. The bathymetry is updated through the sediment conservation equation and the morphological accelerator factor technique accounts for extended simulation time. The model is validated against a number of short-term tests in one horizontal dimension. The response is generally good with most of the morphological features being reproduced in the cross-shore direction. A comparison between various sediment transport formulae and a sensitivity analysis are also performed illustrating the need for inclusion of the phase-lag effects

A study of the non-linear properties and wave generation of the multi-layer non-hydrostatic wave model SWASH

Despite the increasing use of non -hydrostatic models in the study of wave processes in coastal regions, there is still limited understanding of the non-linear properties of the governing equations and how they improve with increased vertical resolution. In this study, the governing equations of the non -hydrostatic wave model SWASH are analysed and the linear and non-linear solutions up to third -order of all dependent variables are derived, considering one to four vertical layers. The analysis concludes that the model can achieve excellent non-linear properties with respect to the Stokes theory over a large range of water depths using only a few vertical layers. Furthermore, deriving solutions for all variables enables the formulation of improved wave generation and absorption boundary conditions for non -hydrostatic models. A well-known issue of non-linear wave models is related to the generation and propagation of spurious free waves, resulting to non -homogeneous wave fields. In this study, it is proven that by imposing the derived exact mathematical solutions of the governing equations at the model's boundaries, the target first- and second -order wave profiles can be generated with high accuracy, while the spurious waves can be entirely eliminated

Dabigatran in the Treatment of Warfarin-Induced Skin Necrosis: A New Hope

Warfarin-induced skin necrosis is an infrequent and well-recognized complication of warfarin treatment. The incidence was estimated between 0.01% and 0.1% whereas a paradoxal prothrombotic state that arises from warfarin therapy seems to be responsible for this life-threatening disease. To the best of our knowledge we present the first case of an old woman diagnosed with warfarin-induced skin necrosis, in whom novel oral anticoagulants and extensive surgical debridement were combined safely with excellent results