Στην παρούσα εργασία μελετάται αριθμητικά η ροή σε σήραγγα υπό συνθήκες ελεύθερης επιφάνειας και έντονης κλίσης πυθμένα 1:10. Διερευνάται η δυνατότητα μείωσης της ταχύτητας ροής μέσω κατακόρυφων, πλευρικών στοιχείων τραχύτητας. Συγκεκριμένα γίνεται τρισδιάστατη προσομοίωση της ροής με χρήση του μοντέλου ANSYS – Fluent και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα που προέκυψαν από αντίστοιχο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αφορμή για το συγκεκριμένο σχεδιασμό αποτέλεσε η διερεύνηση της εκτροπής των πλημμυρικών παροχών από ορεινή λεκάνη σε κατάντη ταμιευτήρα μέσω σήραγγας και συγκεκριμένα από το οροπέδιο Λασιθίου στον ταμιευτήρα του φράγματος Αποσελεμή. Με δεδομένα τα ανωτέρω, επιθυμείται να αποφευχθεί η κατασκευή βαθμίδων ή στοιχείων τραχύτητας στον πυθμένα και, επομένως, απαιτείται η μόρφωση «πτυχώσεων» στα τοιχώματα έτσι ώστε να αναπτυχθεί δευτερογενής ροή και με εισρόφηση αέρα. Η αποτελεσματικότητα του σχεδιασμού διερευνήθηκε σε υδραυλικό ομοίωμα κλίμακας 1:12.5 που βασίσθηκε σε συνθήκες δυναμικής ομοιότητας κατά Froude για χαρακτηριστικές τιμές παροχής. Η επεξεργασία των μετρήσεων έδειξε ότι με κατάλληλη διάταξη πλευρικών στοιχείων τραχύτητας ελέγχεται η τιμή της ταχύτητας και ικανοποιείται η απαίτηση μεγίστου βάθους ροής σε σχέση με τις διαστάσεις της σήραγγας. Για την υπολογιστική επίλυση του προβλήματος αξιοποιήθηκαν οι εξισώσεις Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), ενώ για το κλείσιμο της τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο δυο εξισώσεων k-ω, το οποίο επεξηγείται αναλυτικά. Η διαχείριση της ελεύθερης επιφάνειας έγινε με τη μέθοδο Volume of Fluid (VOF), ενώ η αριθμητική επίλυση βασίστηκε στη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και πραγματοποιήθηκε με το υπολογιστικό πακέτο Fluent CFD της ANSYS inc. Για την ροή στον υπό εξέταση αγωγό η ροή είναι υπερκρίσιμη με κλίση πυθμένα S_0=0.10. Για λόγους ελέγχου της ακρίβειας της αριθμητικής μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε, αρχικά επιλύθηκε η περίπτωση τρισδιάστατου καναλιού ορθογωνικής διατομής χωρίς πλευρικά στοιχεία τραχύτητας και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με αναλυτικά αποτελέσματα μονοδιάστατης ροής (κατακόρυφο επίπεδο) υπεράνω επίπεδου πυθμένα. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν σε καλή συμφωνία μεταξύ τους, γεγονός που επιβεβαίωσε την καταλληλότητα της μεθόδου. Για το τρισδιάστατο πρόβλημα με τα κατακόρυφα πλευρικά στοιχεία τραχύτητας, η ανάλυση έδειξε ότι το διάμηκες προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας παρουσιάζει κυματισμούς σε όλη την περιοχή των στοιχείων τραχύτητας. Το βάθος ροής κατέρχεται σταδιακά από το αρχικό κρίσιμο βάθος μέχρι να φθάσει στο επίπεδο του βάθους των 0.06 m, το οποίο δεν είναι το ομοιόμορφο βάθος αφού η ροή συνεχίζει να επιταχύνεται. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε η δημιουργία μιας περιοχής ανακυκλοφορίας της ροής ανάμεσα στα πλευρικά στοιχεία τραχύτητας. Τα αποτελέσματα που πρόεκυψαν από το αριθμητικό μοντέλο συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα και η συμφωνία μεταξύ αριθμητικών προβλέψεων και πειραματικών δεδομένων είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. / A three-dimensional CFD numerical model has been utilized to simulate the 3D free-surface flow under supercritical flow conditions in a 10% sloping channel over vertical roughness elements on the side walls. The effectiveness of vertical roughness elements on the side walls is investigated, with the aim to reduce flow velocity in the tunnel. The program, ANSYS Fluent, solves the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations on an unstructured five-hedral grid using PISO method and the flow is treated as steady while the k-omega model is used as turbulence model. The numerical simulation has been based on the Volume of Fluid method (VOF) approach. Available experimental measurements of the free-surface in a sloping channel, under various supercritical flow regimes, have been used to validate the proposal numerical methodology. These experiments were conducted at the Hydraulic Engineering Laboratory of the Civil Engineering Department, University of Patras. In all test cases the 3D numerical model gives reasonable comparisons with measurements for the water depth.

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη και την αλγοριθμική υλοποίηση των κλασσικών θεωριών Ενεργού Μέσου που αναπτύχθηκαν από τους Maxwell-Garnett και Bruggeman, μεταγενέστερες επεκτάσεις τους καθώς επίσης και ενός μοντέλου βασισμένο στη «θεωρία Mie», με σκοπό να διερευνηθεί εάν και σε ποιόν βαθμό, μπορούν να συμβάλλουν στην προσομοίωση του φαινομένου της τραχύτητας των διεπιφανειών μιας πολυστρωματικής δομής. Στόχος ακόμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη φιλικού προς το χρήστη λογισμικού σε περιβάλλον Matlab, το οποίο να ενσωματώνει όλες τις υλοποιήσεις των ανωτέρω θεωριών Ενεργού Μέσου αλλά και εν μέρει να αυτοματοποιεί μέσω αυτών, τη αντιμετώπιση του φαινομένου της τραχύτητας. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε συνδυάστηκε με υφιστάμενο λογισμικό της θεωρίας Χαρακτηριστικού Πίνακα για την συνολική αποτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων σύνθετων επιστρώσεων. Στο πειραματικό σκέλος της εργασίας, αναπτύχθηκαν με τις μεθόδους Doctor Blade και εξάχνωσης με πυροβόλο δέσμης ηλεκτρονίων, δείγματα μονής επίστρωσης (διηλεκτρικών 𝑇𝑇𝑇2,𝑍𝑛𝑇), διπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό-μέταλλο» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) και τριπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό–μέταλλο-διηλεκτρικό» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). Για την ασφαλή αξιολόγηση των διαφόρων θεωρητικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν, διενεργήθηκαν πολλαπλές μετρήσεις μορφολογίας, πάχους, τραχύτητας και οπτικής συμπεριφοράς (AFM, SEM, XRR, Προφιλομετρία ακίδας, UV-Vis φασματομετρία) Έτσι, τα πεδία σύγκρισης των μοντέλων με τα πειραματικά δεδομένα ήταν τα διαγράμματα φασματικής διαπερατότητας/ανακλαστικότητας και τα επιμέρους πάχη των συμπαγών στρωμάτων και των διεπιφανειών. Από τις απόπειρες προσομοίωσης των παραπάνω επιστρώσεων προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα αναφορικά με την εγκυρότητα των θεωρητικών μοντέλων ως προς την ικανότητα περιγραφής της οπτικής συμπεριφοράς. Το μοντέλο “Mie” περιγράφει εξαιρετικά την οπτική συμπεριφορά απλών υμενίων με έντονη παρουσία αέρα στο εσωτερικό τους, ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας που παρουσιάζουν. Αντίθετα, η εγκυρότητα των θεωριών Ενεργού Μέσου σε αυτές τις περιπτώσεις εξαρτάται αυστηρά από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες Ενεργού Μέσου και ιδιαίτερα η περίπτωση Bruggeman, επιτυγχάνουν μια ιδιαίτερα σημαντική βελτίωση στην πρόβλεψη της οπτικής συμπεριφοράς πολυστρωματικών επιστρώσεων – όπου η θεωρία Mie αποτυγχάνει - με την ενσωμάτωσης της τραχύτητας επιφάνειας και διεπαφών. Τέλος δίνονται κατευθύνσεις για την περεταίρω βελτίωση των μοντέλων εξομοίωσης της τραχύτητας αλλά και για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου προγράμματος που θα αντιμετωπίζει συνολικά το θέμα της θεωρητικής σχεδίασης επιστρώσεων λεπτών υμενίων. Αποτελέσματα της παρούσας, χρησιμοποιήθηκαν στην δημοσιευθείσα εργασία: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics. / This work focuses on the study and algorithmic implementation of the classical Effective Medium theories developed by Maxwell-Garnett and Bruggeman, subsequently extended versions of them as well as a “Mie Theory” based model, in order to investigate whether - and to which extend - they can be exploited for the simulation of surface and interface roughness of a multilayer structure. It also aims in the development of user-friendly software (Matlab graphical user interface), which will integrate the implementations of all the above theories, in order to easily attain different approaches to the composite medium and to deal with the phenomenon of roughness. The overall assessment of the optical properties of composite, multilayer coatings was achieved by the combination of the software described above with an existing Transfer Matrix program. The experimental part of this work included the development, through Doctor Blade and E-gun Vapor Deposition techniques, of single-layer coatings (𝑇𝑇𝑇2, ZnO dielectrics), double-layer coatings of the "dielectric-metal" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) and triple-layer coatings of the "dielectric-metal-dielectric" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). For the safe evaluation of the developed theoretical models, multiple experimental techniques (AFM, SEM, XRR, Step Profilometry, and UV-Vis Spectrometry) were used for the measurement of the morphology, thickness, roughness and optical performance of the coatings. Thus, the evaluation of the theoretical models was based upon the comparison to the experimental data, using criteria such as the spectral transmittance/reflectance response and the thickness of the individual compact layers and interfaces of the coatings. The simulations of the above coatings yielded important conclusions regarding the validity of the theoretical models in the description of optical behavior. "Mie" model is found to describe extremely well the optical properties of simple thin-films containing significant amounts of air, regardless of the roughness characteristics that they present. On the contrary, the validity of Effective Medium theories in such cases is strongly dependent on the characteristics of roughness. Nevertheless Effective Medium theories and particularly the case of Bruggeman are proved to significantly contribute in the forecasting of multilayer coatings’ optical behavior - where Mie theory fails – by the incorporation of surface and interfaces roughness. Finally, directions are given for further improvement for the roughness simulation models as well as for the development of a complete program that would holistically account for the theoretical design/simulation of thin-film coatings. Results of the present work were used in the following published paper: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics.