Experimental and analytical study of the hydrodynamics of swell and sea waves with partially reflective structures

Resumen

El modelado de las interacciones entre diferentes agentes climáticos, como el viento y el oleaje, con diferentes estructuras marítimas, es un desafío con aplicaciones muy importantes en ingeniería costera que normalmente conlleva el uso de modelos numéricos complejos. Sin embargo, en las etapas de prediseño de un proyecto, se necesitan modelos analíticos rápidos, eficientes y precisos que permitan la búsqueda de las configuraciones óptimas de acuerdo con diferentes criterios de diseño. Además, los estudios de interacción oleaje-estructura, analíticos y experimentales, a menudo no consideran el efecto del forzamiento del viento en el oleaje incidente y reflejado ni la interacción con mar de viento local debido a la complejidad de las interacciones no lineales de los procesos físicos. Por ello, esta tesis se centra en el estudio y modelado de la interacción oleaje-estructura en el caso de estructuras marítimas parcialmente reflejantes bajo la acción de mar de fondo (oleaje tipo swell) y mar de viento (oleaje tipo sea) a diferentes escalas temporales, para lo cual se proponen y estudian diferentes metodologías. En primer lugar, se define un modelo analítico para la interacción de oleaje irregular oblicuo con una estructura marítima. La estructura está delimitada por una placa semi-sumergida y una pared vertical impermeable. En segundo lugar, se lleva a cabo un estudio experimental de la misma estructura bajo la influencia de oleaje swell regular e irregular generado con palas (canal de oleaje) en combinación con oleaje sea para distintas velocidades de viento (túnel de viento). El análisis de los resultados obtenidos con el modelo analítico y el análisis experimental se centra en el efecto de la geometría del sistema caracterizado en términos de la sumergencia relativa d/h y el ancho relativo B/L del sistema, así como los efectos del oleaje tipo sea superpuesto al oleaje swell a una escala de ola individual y estado de mar. Finalmente, para el estudio de la estructura en su vida útil, se propone una metodología para la simulación a largo plazo de eventos extremos de clima marítimo que incluyen como condiciones de forzamiento en el análisis de la estructura. Se realizan simulaciones utilizando técnicas de Monte Carlo para evaluar la incertidumbre de los resultados. El modelo analítico proporciona una herramienta de ingeniería simple y eficiente para la búsqueda de un diseño óptimo (compromiso entre rendimiento y diseño estructural) en términos de actividad portuaria (disminución de la agitación) en la región de campo lejano del reflector, extracción de energía undimotriz en la cámara interior y seguridad estructural del sistema por medio del análisis de las cargas que actúan sobre la placa. El modelo considera teoría de onda lineal, teniendo en cuenta la pérdida de carga debida a la constricción del flujo. Los resultados se comparan con los obtenidos mediante modelos de dinámica de fluidos computacional, validando que el modelo propuesto es capaz de describir de manera eficiente el rendimiento del sistema para oleaje incidente débilmente no lineal. El comportamiento del sistema se analiza por medio de los coeficientes de reflexión y captura y la componente estructural se estudia con las cargas máximas actuando en la placa. Los resultados mostraron que el comportamiento del sistema varía con una periodicidad en Bcosθ/L=0.5. En el caso de oleaje irregular, los espectros en la región a barlomar y sotamar muestran una estructura nodal y antinodal que varía con la distancia al reflector. Esta estructura, así como el desfase entre las elevaciones de la superficie libre a ambos lados de la placa, afectan las cargas totales actuando sobre la placa. Los ensayos experimentales realizados con oleaje regular e irregular en combinación con oleaje sea (túnel de viento) proporcionaron un valor agregado a este trabajo, ya que no existen muchas instalaciones de laboratorio donde sea posible tener condiciones controladas de viento y oleaje. En el caso de los ensayos con oleaje regular con un período similar al primer período natural de la cámara, se obtiene una amplificación de la energía de onda en la región a barlomar para una sumergencia relativa de d/h=0.58, en concordancia con los resultados obtenidos con el modelo analítico. El oleaje tipo sea tiene una mayor influencia en la variación del período de las olas a barlomar y sotamar de la placa, y más aún en los experimentos en los que Tz0/T1>1.5. La influencia del oleaje tipo sea en el rendimiento general del sistema depende del período de onda periódica. Con el fin de analizar el comportamiento de la estructura durante toda su vida útil y en condiciones de régimen extremal, se desarrolla una metodología para la simulación a largo plazo de eventos de tormenta, incluyendo su evolución temporal. Los eventos extremos se definen considerando conjuntamente el umbral, la duración mínima de la tormenta y los tiempos de calma entre tormentas, mediante análisis de bondad del ajuste. La caracterización estadística multivariada de las diferentes variables marítimas y su dependencia temporal se estudia mediante una combinación de funciones de distribución de probabilidad mixtas, modelos vectoriales autorregresivos y modelos de cópula. Los resultados demuestran que se obtiene un modelo eficiente y preciso para la simulación de series temporales largas de eventos extremos. Mediante el uso de técnicas de Monte Carlo, se realizan una gran cantidad de simulaciones y se utilizan como condiciones de forzamiento al modelo analítico para analizar el rendimiento a largo plazo de la estructura y la incertidumbre asociada con el análisis.