Date of Award

4-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Aruna Nandasena

Abstract

One of the most crucial components of the ocean ecology is coral reefs. Being environmentally sustainable, natural structures like coral reefs have recently drawn a lot of attention as a means of reducing the flow energy. The absence of scientific validations on the potential of coral reefs in reducing high-energy flow limits engineering applications of coral reefs to the benefit of civilization. In this research, extensive experimental studies were carried out to investigate the capabilities of coral reefs, to reduce high-energy flows. To determine the high-energy wave reduction by coral reefs, the coral roughness coefficient along with the coral structure is a major factor. To investigate the mitigative potential of coral reefs, we conducted an experimental study, where our primary objective was to assess the roughness of Acropora corals, which are most prevalent in the Arabian Sea, for the reduction in flow energy. Due to marine life preservation, an alternative method was used to mimic real coral reefs by 3D printing which ensured the accuracy of the surface roughness and the structure of the coral. To investigate the flow characteristics through the coral reef we measured flow depth and flow velocity in front, in between, and at the end of the coral extent using electromagnetic current meters and point gauges. This experiment was carried out on a large-scale flume with steady flow conditions in the Fluids Lab at the United Arab Emirates University. We used non – dimensional parameters such as Froude number (Fr), depth effect (DE), and length effect (LE) to compare flow characteristics across different coral reef environments and scales and make more accurate predictions about the potential effects of flow on coral reefs. The findings showed that corals reduced flow depth and flow velocity by up to 27.5% and 25%, respectively, near the end of the coral extent. Velocity profiles were assessed to better understand the behavior of flow with corals in comparison to without corals. Two Layered flow, which is the ratio of the velocity through the corals, and on top of it were low in number at the beginning of the extent, with a significant increase in between the extent (LE) and then gradually decreasing for all Froude Number (Fr) cases. It was observed that with a low Froude number of 0.06, the ratio was as high as 5.67. In the case of energy loss gradient, the value was low with low LE and gradually increased as the reef was at its highest LE for all Fr cases. It showed that the head loss gradient at Fr - 1.05 was as high as 0.5 at the lowest LE. Manning's roughness coefficient was discovered to vary from 0.03 to 0.26 indicating that Manning’s roughness coefficient is a function of Froude number and length-depth effects. Therefore, a constant coefficient is not warranted for numerical simulations of coral-flow interaction.

Arabic Abstract


إمكانات الحد من تدفق الطاقة بواسطة الشعاب المرجانية: التحليل الهيدروديناميكي على أنواع أكروبورا

واحدة من أهم مكونات بيئة المحيطات هي الشعاب المرجانية وكونها مستدامة بيئياً وتتطلب الحد الأدنى من الاستثمار الرأسمالي، فقد جذبت الهياكل الطبيعية مثل الشعاب المرجانية الكثير من الاهتمام مؤخراً كوسيلة للحد من تدفق الطاقة. إن غياب التصديقات العلمية على إمكانات الشعاب المرجانية في الحد من التدفق عالي الطاقة يحد من التطبيقات الهندسية للشعاب المرجانية لصالح الحضارة. في هذا البحث، أُجريت دراسات تجريبية مكثفة للتحقيق في قدرات الشعاب المرجانية الصحية في الحد من الموجات عالية الطاقة لتحديد انخفاض تدفق الموجات عالية الطاقة بواسطة الشعاب المرجانية، فإن عامل خشونة المرجان (coral roughness coefficient) هو عامل رئيسي إلى جانب هيكل المرجان للتحقيق في الإمكانات التخفيفية للشعاب المرجانية. أجرينا دراسة تجريبية حيث كان هدفنا الأساسي هو تقييم خشونة الشعاب المرجانية أكروبورا (Acropora corals)، التي هي الأكثر انتشاراً في بحر العرب، للحد من تدفق الطاقة لحماية الحياة البحرية والحفاظ عليها، بدلاً من استخدام الشعاب المرجانية الفعلية. استخدمنا طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد (3d printing method) لصنع نماذج مرجانية والتي بدورها فوضت دقة خشونة السطح وهيكل المرجان. للتحقيق في خصائص التدفق عبر الشعاب المرجانية قمنا بقياس عمق التدفق (flow depth) وسرعة التدفق (flow Velocity) في المقدمة، بينها، وفي نهاية مدى المرجان باستخدام عدادات التيار الكهرومغناطيسي (electromagnetic current meters) ومقاييس النقاط (point gauges). تمت هذه التجربة على مجرى واسع النطاق مع ظروف تدفق ثابت (steady flow) في مختبر السوائل في جامعة الإمارات العربية المتحدة. وقد قمنا باستخدام البرامترات اللابعدية (non dimensional parameters) مثل رقم فرود (Froude number) (Fr)، تأثير العمق (Depth effect(DE)) وتأثير الطول (Length effect(LE)) لمقارنة خصائص التدفق عبر أربعة مقاييس للشعاب المرجانية المختلفة وتقديم تنبؤات أكثر دقة حول الآثار المحتملة للتدفق على الشعاب المرجانية. وأظهرت النتائج أن الشعاب المرجانية خفضت عمق التدفق وسرعة التدفق بنسبة تصل إلى %27.0 و%25 على التوالي، بالقرب من نهاية مدى المرجان. تم تقييم ملامح السرعة (velocity profiles) لفهم أفضل لسلوك التدفق مع الشعاب المرجانية بالمقارنة مع سلوك التدفق دون الشعاب المرجانية. التدفق الطبقيين (Two layered flow)، وهي نسبة أسرع من خلال الشعاب المرجانية وعلى رأسها، حيث كانت منخفضة في العدد في بداية المدى، مع زيادة ملحوظة بين المدى (LE) ثم تناقصت تدريجياً لجميع حالات عدد فرود (Fr). كان من الملاحظ أنه مع وجود عدد فرود منخفض 0.001، كانت النسبة عالية مثل 0.617 في حالة فقدان تدرج الطاقة، كانت القيمة منخفضة مع انخفاض LE وقد تزايدت تدريجياً عندما كانت الشعاب المرجانية في أعلى مستوى لها بالنسبة لجميع حالات Fr. وأظهرت أن تدرج فقدان الرأس عند 0.15 Fr، كان 0.05 في أدنى LE. اكتُشف أن عامل خشونة مانينغ (Manning's roughness coefficient) يختلف من 0.03 إلى 0.26، مما يشير إلى أن عامل خشونة مانينغ هو دالة لعدد فرود، وتأثيرات الطول و العمق. لذلك، فإن المعامل الثابت (constant coefficient) لا يضمن المحاكاة العددية لتفاعل تدفق المرجان.

Download
COinS