Met de dreiging van zeespiegelstijging, stormvloed en andere natuurrampen, onderzoekers van het College of Engineering and Computer Science van Florida Atlantic University wenden zich tot de natuur om mensen tegen de natuur te beschermen. Ze ontwikkelen innovatieve manieren om kustlijnen te bewaken en schuren en erosie door golven en stormen te voorkomen met behulp van bio-geïnspireerde materialen die mangrovebomen langs kusten nabootsen, rivieren en estuaria in de tropen en subtropen. Groeiend uit een wirwar van wortels die zich een weg banen uit de modder, mangrovebomen beschermen op natuurlijke wijze kustlijnen, beschermen kustecosysteemhabitats en zorgen voor belangrijke waterfiltratie. Vaak, deze wortels vangen sedimenten op die langs rivieren en van het land stromen, helpen om de kustlijn te stabiliseren.

Bepaalde mangrovewortelsystemen hebben zelfs het vermogen om getijdenenergie af te voeren via unieke hydrologische stromen en de energie van water in verschillende richtingen af ​​te leiden, waardoor het risico op kustschade wordt verminderd. Nog, daten, weinig studies hebben de vloeistofdynamica onderzocht, zoals stromingsstructuur en sleepkracht op mangrovewortels.

Voor een studie, gepubliceerd in het tijdschrift van de American Physical Society, Fysieke beoordeling Vloeistoffen , onderzoekers selecteerden de rode mangroveboom ( Rhizophora mangel ) van meer dan 80 verschillende soorten mangroven, vanwege het robuuste netwerk van wortels dat bestand is tegen extreme omgevingsomstandigheden. De rode mangrove bood de onderzoekers een ideaal model voor bio-geïnspireerde kusttoepassingen.

"Vanwege hun sterke structuren, mangroven hebben meer dan 8 overleefd, 000 jaar, " zei Amirkhosro Kazemi, doctoraat, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker bij FAU's Department of Ocean and Mechanical Engineering, die een fellowship van de Link Foundation heeft gekregen en samenwerkt met Oscar Curet, doctoraat, co-auteur en een assistent-professor in de afdeling. "Wat echt verbazingwekkend is aan mangroven, is dat ze zich kunnen aanpassen aan veranderingen in de stijgende zeespiegel door opwaartse structuren te vormen door een natuurlijk proces van accumulatie van modderlagen die worden meegevoerd door getijden en andere bronnen. Het is vooral hun wortelstelsel dat bijdraagt ​​aan deze veerkracht en is wat ons inspireerde om hun complexe hydrodynamica te onderzoeken."

Om de veerkracht van de mangroveboom en de vloeiende dynamiek van zijn wortels beter te begrijpen, Kazemi, Curet, en Keith Van de Riet, doctoraat, co-auteur en een assistent-professor aan de Universiteit van Kansas, modelleerde de complexe mangrovewortels als een netwerk van cirkelvormige cilinders, een patch genaamd. Ze voerden een reeks experimenten uit met verschillende belangrijke parameters zoals lengteschaal en porositeit of flexibiliteit. Ze gebruikten een watertunnel en stromingsvisualisatie om te bepalen hoe de diameter van de wortel, zijn flexibiliteit en hoe poreus de mangroven zijn van invloed op het water. Ze bestudeerden de mangrovewortels onder verschillende stroomomstandigheden om te kwantificeren hoe de stroomstructuur zou interageren met de mangrove.

Ze keken naar het effect van porositeit en afstandsmaatregelen tussen de wortels, geteste kracht en snelheid in een watertunnel, en gelijktijdig uitgevoerde 2D-stroomvisualisatie.

De onderzoekers voerden directe weerstandskrachtmetingen en hoge resolutie deeltjesbeeldsnelheidsmetingen uit om de complexe onstabiele kielzogstructuur achter de arrays van de patch te karakteriseren. die een vereenvoudigd mangrovewortelmodel vertegenwoordigt.

Resultaten van de studie tonen aan dat voor starre wortels, de weerstandskracht varieerde lineair met de patchdiameter en de afstand tussen de wortels. Voor flexibele wortels, de onderzoekers ontdekten dat een afname van de stijfheid zowel de weerstand van de patch als het zogtekort achter de patch op dezelfde manier verhoogde als de blokkering van de patch. Ze hebben een nieuwe lengteschaal (effectieve diameter) geïntroduceerd op basis van de zogsignatuur om de luchtweerstandscoëfficiënt te karakteriseren die op de patch wordt uitgeoefend voor verschillende porositeiten. De effectieve diameter omvat de porositeit van de patch, rangschikking en individuele worteldiameter in de patch. De resultaten hebben bewezen dat de effectieve diameter van de pleister afneemt naarmate de porositeit toeneemt, die aanleiding geven tot het Strouhal-getal - gebruikt in dimensionale analyse dat een dimensieloos getal is dat oscillerende stromingsmechanismen beschrijft.

"Met bijna 2,4 miljard mensen wereldwijd die binnen een straal van 60 mijl van een oceanische kust wonen, dit onderzoek is uiterst belangrijk voor kwetsbare kusten, niet alleen in Florida, maar over de hele wereld, " zei Stella Batalama, doctoraat, decaan van FAU's College of Engineering and Computer Science. "Het verbeteren van ons begrip van de hydrodynamica van mangrovewortels zal helpen om de opname van bio-geïnspireerde mangrove-achtige structuren die kunnen worden gebruikt voor erosiebestrijding, te vergemakkelijken, kustbescherming, en habitatreconstructie."

Hoewel veel laaggelegen gebieden over stormvloedbescherming beschikken, zoals zeeweringen, deze constructies zijn duur om te bouwen, hun eigen milieuproblemen veroorzaken, en belemmeren het natuurlijke landschap. De informatie uit deze studie heeft het potentieel om wetenschappers en ingenieurs te helpen bij het ontwikkelen van methoden om veerkrachtige bio-geïnspireerde kustlijnstructuren te ontwerpen. Natuurlijke kustlijnen zijn flexibel, goedkoop, en verstelbaar, en het prototype dat de onderzoekers hebben ontwikkeld is schaalbaar, kleiner en eenvoudiger te gebruiken en ook kosteneffectiever. Hun systematische modellering biedt het kader om mangrove-achtige structuren te ontwerpen voor kustbescherming.

"Onze bevindingen kunnen mogelijk worden gebruikt om kunstmatige mangrovebanken voor kustgebieden aan te leggen. ons experimentele werk zou zelfs kunnen worden toegepast in een uniforme getijdenstroming waar water constant stroomt als gevolg van zeespiegelstijging, " zei Kazemi. "We werken momenteel aan een nieuw model waarmee we de stroom in een complexer ontwerp kunnen begrijpen."