Swell and wind-waves interaction under partial reflection conditions

Resumen

Introducción Varios investigadores analizaron el flujo de momento vertical en las ondas de gravedad de la superficie sometidas a la acción del viento, a la bajada o al deterioro. El equilibrio de momento vertical es importante para determinar los intercambios de productos químicos, sedimentos y contaminantes, que tienen lugar en la interfaz aire-mar. Aunque no está claro cómo se transfiere el impulso a la interfaz aire-agua, se han desarrollado modelos teóricos que describen la interacción del viento y el agua para arrojar luz sobre los mecanismos responsables del crecimiento y la atenuación de las olas (Phillips, 1957; Miles, 1957 ; Longuet-Higgins, 1969). Las olas de viento y oleaje son probablemente las más comunes y prominentes para las actividades humanas, con un período de onda T del orden 1-25 s. Por lo general, se considera que las ondas de oleaje son aquellas que están completamente desarrolladas y se propagan lejos de su área de generación, generalmente mostrando un comportamiento regular en comparación con las ondas de crecimiento de vientos en etapa temprana. El oleaje, como cualquier otra superficie de agua, puede ser sometido a la acción del viento, potencialmente proveniente de cualquier dirección. La descripción general del campo de flujo aprovecha la triple descomposición (ver Phillips, 1966) en el sentido de Thais y Magnaudet (1995). Las variables de interés se dividen en un componente de tiempo promediado, periódico (organizado) y fluctuante (turbulento). El interés se centra en el término que representa la tensión de corte de la onda Reynolds, la covarianza de la velocidad o la correlación de la velocidad. En los experimentos realizados para esta tesis, ese término es más de un orden de magnitud mayor que el esfuerzo de cizallamiento turbulento. Olfateh et al. (2017) pusieron la atención en el término tensión de corte de la onda Reynolds, describiendo algunos resultados experimentales contradictorios en la literatura, mostrando datos variados sobre la contribución de la tensión de corte de la onda Reynolds a la transferencia de momento bajo las ondas generadas por el viento. Ellos sugirieron los efectos de reflexión como responsables de la variación de signo y magnitud de los valores experimentales. Sin embargo, no consideraron la fase y sus resultados se promedian horizontalmente. La falta de un enfoque universal del problema es una razón suficiente para fomentar estudios adicionales sobre los efectos de la reflexión en el campo de las olas. Una comprensión de los diferentes procesos involucrados en la interacción entre las olas impulsadas por el viento y las estructuras marítimas es la base para el diseño de soluciones de ingeniería confiables. Las ondas de viento afectan la intensidad de la interacción y, tendiendo a retrasarse, acumulan un gran impulso y energía. El campo de ondas gana energía y el impulso de la atmósfera, los transporta largas distancias y los entrega a las corrientes y la capa límite atmosférica (Chalikov y Bulgakov, 2014). La generación de energía de los mares y océanos, en particular la derivada de las olas impulsadas por el viento (es decir, la energía de las olas), se ha desarrollado rápidamente a lo largo de los años (Bahaj, 2011) y se ha diseñado una gran variedad de WEC para este fin. Es importante describir completamente las características de flujo dentro y a sotavento de la estructura para garantizar con precisión la estabilidad de la estructura. Esta investigación se refiere a un estudio experimental de la interacción entre el viento y las olas generadas por las paletas afectadas por la reflexión. El viento y las ondas de paletas regulares se generan, juntas y por separado, en un canal de interacción océano-atmósfera, que permite la absorción activa para obtener la reflexión deseada para cada experimento. La posibilidad de generar una reflexión deseada en el campo de onda permite una evaluación y cuantificación completas del efecto reflexivo en el campo de onda. En particular, el surgimiento de tensiones adicionales, la modulación espacial del nivel medio del agua y otros fenómenos se observan experimentalmente y se derivan teóricamente. Hypótesis and justificación Se piensa que los experimentos y análisis aquí reportados producen una mejor comprensión del campo de onda contaminado por la reflexión. Luego analizamos cómo las diferentes condiciones de reflexión influyen en el campo de flujo en el lado del agua, comparando el estrés inducido por la reflexión con otros términos de fuerza (como la turbulencia), y evaluando los efectos del viento. Esta tesis doctoral se enmarca dentro de una línea de investigación cuyo objetivo es comprender y cuantificar los efectos de las ondas parcialmente reflejadas en presencia del viento. Los resultados sobre los efectos locales pueden extenderse fácilmente a escalas más grandes, lo que proporciona un gran paso de antemano para predecir fenómenos globales que influyen en la vida del hombre y el medio ambiente, como el cambio climático. Motivación El objetivo principal de esta investigación es la caracterización y el modelado de la hidrodinámica bajo la influencia de ondas regulares, irregulares y de viento en condiciones de reflexión parcial. Para el logro del objetivo principal, se han propuesto una serie de objetivos específicos:  Estudio del estado actual del arte de las ondas parcialmente reflejadas y su interacción con las ondas del viento.  Estudio experimental de la hidrodinámica bajo oleaje y ondas de viento en condiciones de reflexión parcial. Metodología La metodología para la realización de esta investigación se puede resumir en lo siguiente:  Fundamentos teóricos: revisión bibliográfica en profundidad del estudio de la transferencia de momento y el desplazamiento de superficie libre bajo la influencia de ondas regulares, irregulares y de viento en condiciones de reflexión parcial.  Actividades experimentales: Los experimentos se llevarán a cabo en el canal de interacción atmósfera-océano en el Instituto Andaluz para la Investigación del Sistema de la Tierra en Granada, España. Esta instalación está dedicada al estudio del acoplamiento de procesos entre el océano y la atmósfera. El sistema de generación eólica es un túnel de viento de circuito cerrado de 24 m de largo con capacidad para generar vientos de hasta 12 m/s. El canal de onda está equipado con onduladores de tipo pistón que permiten la generación de ondas regulares e irregulares, espectros paramétricos o definidos por el usuario, ondas solitarias y series de tiempo medidas con períodos de onda de 1 a 5 segundos y alturas de onda de hasta 25 cm. El sistema permite la generación de olas que siguen o se oponen a la dirección del viento. Para medir las diferentes variables cinemáticas y dinámicas, se utilizarán diferentes instrumentos de laboratorio, que incluyen: - Medidores de nivel acústico para medir las series de tiempo de elevación de la superficie en diferentes puntos del canal. - Anemometría Doppler láser 2D-3D para medir con precisión el perfil de velocidad en diferentes combinaciones de ondas regulares, irregulares y de viento. - Velocímetro de imagen de partículas. - Tubos de Pitot o anemometría de alambre caliente, si es necesario, para caracterizar correctamente el perfil de velocidad del viento sobre la superficie del agua.  Posprocesamiento de los datos experimentales, análisis de los resultados, conclusiones, validación: los datos experimentales se analizarán con un enfoque principal en las fuerzas totales que actúan sobre la estructura, así como la influencia de las ondas de viento en la hidrodinámica del sistema. Se realizará una comparación y validación del modelo analítico bajo ondas irregulares utilizando los datos experimentales.  Difusión científica: los principales resultados de la investigación se publicarán en revistas indexadas en "Science Citation Index", así como en conferencias nacionales e internacionales. Conclusión El trabajo general aquí presentado muestra resultados extensos sobre las interacciones de oleaje y viento en condiciones de reflexión parcial. La mayoría de ellos confirman los resultados dados por la literatura anterior y extienden los resultados con nuevas observaciones experimentales y teóricas a través de técnicas bien conocidas y aceptadas, como los métodos de perturbación y la triple descomposición. Todos los análisis revelan la importancia de un método adecuado para describir los efectos combinados de diferentes componentes en un campo complejo como el que se estudia en esta tesis, donde los efectos no lineales, condiciones de contorno, condiciones experimentales y técnicas de medición pueden afectar los resultados y conducir a interpretaciones engañosas. Además, la inclusión del coeficiente de reflexión y el cambio de fase entre las ondas incidentes y reflejadas resuelve el problema de la variabilidad de la tensión de cizallamiento de la onda en olas de oleaje y viento, que se ha encontrado en la literatura, con nuevos resultados experimentales para apoyar el modelo teórico. Estos resultados son muy alentadores hacia nuevos estudios que, aprovechando el presente trabajo, tienen como objetivo proporcionar una visión ampliada de la complejidad dada por el fascinante mundo de las olas de agua. Recursos y financiación Esta investigación se propone dentro de un acuerdo de colaboración entre la Universidad de Parma y la Universidad de Granada. La mayoría de las actividades experimentales se llevarán a cabo en las instalaciones de IISTA, donde se proporcionarán todos los recursos. Referencias bibliográficas - Bahaj, A. S. (2011). Generating electricity from the oceans. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(7), 3399–3416. doi:10.1016/j.rser.2011.04.032 - Chalikov, D. V., & Bulgakov, K. Y. (2014). Wind waves as an element of a hydrodynamic coupled ocean-atmosphere model. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 51(3), 337–341. doi:10.1134/S0001433815030032 - Longuet-Higgins, M.S. (1969). Action of variable stress at the surface of water waves. The Physics of Fluids 12 (4),737-740. - Miles, J.W. (1957). On the generation of surface waves by shear flows. Journal of Fluid Mechanics 3 (2), 185-204. - Olfateh, M., Ware, P., Callaghan, D. P., Nielsen, P., & Baldock, T. E. (2017). Momentum transfer under laboratory wind waves. Coastal Engineering, 121, 255–264. doi:10.1016/j.coastaleng.2016.09.001 - Phillips, O.M. (1957). On the generation of waves by turbulent wind. Journal of Fluid Mechanics 2 (5), 417-445. - Phillips, O.M. (1966). The dynamics of the upper oceans. New York: Cambridge University Press. - Thais, L. & Magnaudet, J. (1995). A triple decomposition of the fluctuating motion below laboratory wind waves. Journal of Geophysical Research: Oceans 100 (C1), 741-755.