Med hot om havsnivåhöjning, stormflod och andra naturkatastrofer, forskare från Florida Atlantic University College of Engineering and Computer Science vänder sig till naturen för att skydda människor från naturen. De utvecklar innovativa sätt att skydda kustlinjer och förhindra skurning och erosion från vågor och stormar med hjälp av bioinspirerade material som efterliknar mangroveträd som finns längs stränder, floder och flodmynningar i tropikerna och subtropen. Växer från en härva av rötter som vrider sig ut ur leran, mangroveträd skyddar naturligt strandlinjer, skydda kustnära ekosystem livsmiljöer och ge viktig vattenfiltrering. I många fall, dessa rötter fäller sediment som rinner nerför floder och från landet, hjälper till att stabilisera kusten.

Vissa mangrove -rotsystem har till och med förmågan att sprida tidvattenenergi genom unika hydrologiska flöden och avleda energin från vatten i olika riktningar vilket minskar risken för kustskador. Än, hittills, få studier har undersökt vätskedynamiken som flödesstruktur och dragkraft på mangrove -rötter.

För en studie, publicerad i American Physical Societys tidskrift, Fysiska granskningsvätskor , forskare pekade ut det röda mangroveträdet ( Rhizophora mangel ) från mer än 80 olika arter av mangrove, på grund av sitt robusta nätverk av rötter som tål extrema miljöförhållanden. Den röda mangroven gav forskarna en idealisk modell för bioinspirerade strandlinjeapplikationer.

"På grund av deras starka strukturer, mangrover har överlevt i mer än 8, 000 år, "sade Amirkhosro Kazemi, Ph.D., huvudförfattare till studien och en postdoktor vid FAU:s institution för hav och maskinteknik, som tilldelades en Link Foundation -stipendium och arbetar med Oscar Curet, Ph.D., medförfattare och biträdande professor vid institutionen. "Det som verkligen är fantastiskt med mangrover är att de kan anpassa sig till förändringar i stigande havsnivåer genom att bilda strukturer uppåt genom en naturlig process av ackumulering av lager av lera som bärs av tidvatten och andra källor. Det är särskilt deras rotsystem som bidrar till denna motståndskraft och är det som inspirerade oss att forska i deras komplexa hydrodynamik."

För att bättre förstå mangroveträdets motståndskraft och dess vätskedynamik, Kazemi, Curet, och Keith Van de Riet, Ph.D., medförfattare och biträdande professor vid University of Kansas, modellerade de komplexa mangroverötterna som ett nätverk av cirkulära cylindrar som kallas en lapp. De utförde en rad experiment med olika nyckelparametrar som längdskala och porositet eller flexibilitet. De använde en vattentunnel och flödesvisualisering för att bestämma hur rotens diameter, dess flexibilitet och hur porösa mangroverna påverkar vattnet. De studerade mangroverötterna under olika flödesförhållanden för att kvantifiera hur flödesstrukturen skulle interagera med mangroven.

De tittade på effekten av porositet och avståndsmått mellan rötterna, testat kraft och hastighet i en vattentunnel, och samtidigt utförd 2D-flödesvisualisering.

Forskarna utförde direkta dragkraftsmätningar och högupplöst partikelbildhastighet för att karakterisera den komplexa ostadiga vakstrukturen bakom plåstrets arrayer, som representerar en förenklad mangrove -rotmodell.

Resultat från studien visar att för stela rötter, dragkraften varierade linjärt med fläckdiameter och avstånd mellan rötterna. För flexibla rötter, forskarna upptäckte att en minskning av styvhet ökade både plåstret och väckningsunderskottet bakom plåstret på ett liknande sätt som att öka blockeringen av plåstret. De har introducerat en ny längdskala (effektiv diameter) baserad på vaktsignaturen för att karakterisera dragkoefficienten som utövas på plåstret för olika porositeter. Den effektiva diametern innehåller plåsternas porositet, arrangemang och individuell rotdiameter i plåstret. Resultaten har visat att plåstrets effektiva diameter minskar när porositeten ökar, som ger upphov till Strouhal -talet - används i dimensionsanalys som är ett dimensionslöst tal som beskriver oscillerande flödesmekanismer.

"Med nästan 2,4 miljarder människor världen över som bor inom 60 miles från en oceanisk kust, denna forskning är extremt viktig för sårbara kustlinjer, inte bara i Florida utan över hela världen, sa Stella Batalama, Ph.D., dekanus vid FAU's College of Engineering and Computer Science. "Att förbättra vår förståelse av hydrodynamiken i mangroverötter hjälper till att underlätta införlivandet av bioinspirerade mangrove-liknande strukturer som kan användas för erosionskontroll, kustskydd, och återuppbyggnad av livsmiljöer. "

Även om många låglänta områden har stormskydd såsom havsväggar, dessa strukturer är dyra att bygga, orsaka sina egna miljöhänsyn, och hindrar det naturliga landskapet. Information från denna studie har potential att hjälpa forskare och ingenjörer att utveckla metoder för att designa fjädrande bioinspirerade kuststrukturer. Naturliga stränder är flexibla, billig, och justerbar, och prototypen forskarna har utvecklat är skalbar, mindre och enklare att använda samt mer kostnadseffektivt. Deras systematiska modellering ger ramarna för att konstruera mangrove-liknande strukturer för kustskydd.

"Våra resultat skulle potentiellt kunna användas för att bygga konstgjorda mangrovebankar för kustområden. Till exempel, vårt experimentella arbete skulle till och med kunna tillämpas i ett enhetligt tidvattenflöde där vattnet strömmar konstant som ett resultat av havsnivåhöjning, "sa Kazemi." Vi arbetar för närvarande med en ny modell som gör att vi kan förstå flödet i en mer komplex design. "