В связи с угрозой повышения уровня моря, штормовых нагонов и других стихийных бедствий исследователи из Колледжа инженерии и компьютерных наук Атлантического университета Флориды обращаются к природе, чтобы защитить людей от природы. Они разрабатывают инновационные способы защиты береговых линий и предотвращения размывания и эрозии от волн и штормов с использованием биоматериалов, которые имитируют мангровые деревья, произрастающие вдоль берегов, рек и устьев рек в тропиках и субтропиках. Мангровые деревья, выросшие из клубка корней, пробивающихся из грязи, естественным образом защищают береговую линию, укрывают места обитания прибрежных экосистем и обеспечивают важную фильтрацию воды. Во многих случаях эти корни задерживают наносы, стекающие по рекам и с суши, помогая стабилизировать береговую линию.
Некоторые корневые системы мангровых зарослей даже обладают способностью рассеивать приливную энергию посредством уникальных гидрологических потоков и отводить энергию воды в разных направлениях, снижая риск повреждения побережья. Тем не менее, на сегодняшний день в нескольких исследованиях изучалась динамика жидкости, такая как структура потока и сила сопротивления корней мангровых зарослей.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Fluids Американского физического общества, исследователи выделили красное мангровое дерево (Rhizophora mangle) из более чем 80 различных видов мангровых зарослей из-за его надежной сети корней, которые могут выдерживать экстремальные условия окружающей среды. Красные мангровые заросли предоставили исследователям идеальную модель для биологических приложений береговой линии.
«Из-за своей прочной структуры мангровые заросли выжили более 8000 лет», - сказал Амирхосро Каземи, доктор философии. D., ведущий автор исследования и постдокторский научный сотрудник Департамента океанологии и машиностроения FAU, получивший стипендию Link Foundation и работающий с Оскаром Кюре, доктором философии, соавтором и доцентом в отделение. «Что действительно удивительно в мангровых зарослях, так это то, что они могут приспосабливаться к изменениям повышения уровня моря, формируя восходящие структуры посредством естественного процесса накопления слоев ила, переносимого приливами и другими источниками. Именно их корневая система вносит свой вклад, в частности, в эту устойчивость и вот что вдохновило нас на исследование их сложной гидродинамики».
Чтобы лучше понять устойчивость мангровых деревьев и гидродинамику их корней, Каземи, Курет и Кит Ван де Риет, доктор философии, соавтор и доцент Канзасского университета, смоделировали сложные корни мангровых зарослей в виде сети круглых цилиндров, называемых пятнами. Они провели серию экспериментов, варьируя ключевые параметры, такие как масштаб длины и пористость или гибкость. Они использовали водный туннель и визуализацию потока, чтобы определить, как диаметр корня, его гибкость и пористость мангровых зарослей влияют на воду. Они изучили корни мангровых зарослей при различных условиях течения, чтобы количественно определить, как структура потока будет взаимодействовать с мангровыми зарослями.
Они изучили влияние пористости и расстояния между корнями, проверили силу и скорость в водяном туннеле и одновременно выполнили двухмерную визуализацию потока.
Исследователи выполнили прямые измерения силы сопротивления и велосиметрию изображения частиц с высоким разрешением, чтобы охарактеризовать сложную неустойчивую структуру следа позади массивов участка, которая представляет собой упрощенную модель корней мангровых зарослей.
Результаты исследования показывают, что для жестких корней сила сопротивления изменяется линейно в зависимости от диаметра заплаты и расстояния между корнями. Для гибких корней исследователи обнаружили, что снижение жесткости увеличивает как сопротивление заплаты, так и дефицит следа за заплатой таким же образом, как и увеличение блокировки заплаты. Они ввели новую шкалу длины (эффективный диаметр), основанную на характеристике следа, чтобы охарактеризовать коэффициент сопротивления, действующий на участок для различных пористостей. Эффективный диаметр включает пористость заплатки, расположение и диаметр отдельного корня в заплате. Результаты показали, что эффективный диаметр пластыря уменьшается по мере увеличения пористости, что приводит к числу Струхаля, используемому в анализе размеров, которое представляет собой безразмерное число, описывающее колебательные механизмы потока.
«Поскольку почти 2,4 миллиарда человек во всем мире живут в пределах 60 миль от океанического побережья, это исследование чрезвычайно важно для уязвимых береговых линий не только во Флориде, но и во всем мире», - сказала Стелла Баталама, доктор философии, декан Колледж инженерии и компьютерных наук FAU. «Улучшение нашего понимания гидродинамики корней мангровых зарослей поможет облегчить внедрение биоинспирированных мангровых структур, которые можно использовать для борьбы с эрозией, защиты побережья и восстановления среды обитания."
Хотя многие низменные районы имеют защиту от штормовых нагонов, такую как дамбы, эти сооружения дороги в строительстве, вызывают собственный набор экологических проблем и препятствуют естественному ландшафту. Информация, полученная в результате этого исследования, может помочь ученым и инженерам разработать методы проектирования устойчивых структур береговой линии, созданных на основе биологических ресурсов. Естественные береговые линии являются гибкими, недорогими и регулируемыми, а прототип, разработанный исследователями, является масштабируемым, меньшим по размеру и простым в использовании, а также более экономичным. Их систематическое моделирование обеспечивает основу для проектирования сооружений, подобных мангровым зарослям, для защиты побережья.
"Наши выводы потенциально могут быть использованы для создания искусственных мангровых отмелей в прибрежных районах. Например, наши экспериментальные работы могут быть применены даже к однородному приливному течению, где вода постоянно течет в результате повышения уровня моря", - сказал он. Каземи. «В настоящее время мы работаем над новой моделью, которая позволит нам понять поток в более сложной конструкции."