adrián pedrozo acuña coordinación de hidráulica reunión informativa anual 2011

Efectos de la rotura del oleaje sobre el transporte de sedimentos y la morfología de playas

Adrián Pedrozo AcuñaCoordinación de Hidráulica

Reunión Informativa Anual 2011

Organización de la presentación

1. Antecedentes2. Objetivos del estudio3. Metodología 4. Experimentos de laboratorio5. Modelación numérica6. Resultados7. Conclusiones

Antecedentes• La predicción de la cinemática del oleaje en la

costa es de suma importancia para determinar zonas vulnerables ante inundación y erosión.

• La hidrodinámica en la zona de rompientes determina la respuesta morfológica de una playa. ¿Cómo es el campo de velocidades?

• No conocemos el campo de velocidades en la zona de rompientes; limitaciones en la instrumentación actual (acústica y óptica).

Noviembre 2007

Mayo 98

¿¡!?

0

10

20

30

Pre

ssu

re (

KP

a)

0

10

20

30

0 1 2 3 4 50

10

20

30

time (s)

Pre

ssu

re (

KP

a)

0 1 2 3 4 50

10

20

30

time (s)

a) b)

c) d)

Impact

Quasi-hydrostaticpressure

Quasi-hydrostaticpressure

Quasi-hydrostaticpressure Quasi-hydrostatic

pressure

Antecedentes… (2)El transporte de sedimentos ha sido abordado desde una perspectiva empírica.

Sin embargo… en condiciones de rotura

•Flujo oscilatorio•Turbulencia•Tipo de rotura (intensa)•Gradiente de presión

tiempo(s)h(m)

q(t) = f (u).

Antecedentes… (3)

Madsen (1976, 1991)

Hoefel y Elgar (2003)

Puleo et. al. (2007)

Pedrozo-Acuña et. al. (2010)

Objetivos

• Identificar y entender los procesos críticos (p.ej. gradiente de presión) ignorados en los modelos de transporte litoral, a fin de desarrollar ecuaciones que los incluyan.

• Realizar una investigación integral (experimental y numérica) sobre el balance de los procesos físicos asociados a la rotura intensa del oleaje.

• Caracterizar los efectos de los procesos involucrados (ej. velocidades, aceleraciones, gradientes de presión) sobre el transporte de sedimentos y la morfología de playas.

• Presentar ante la comunidad científica internacional, un novedoso conjunto de resultados que describan los procesos clave que deben ser incluidos en futuras parametrizaciones de la rotura del oleaje y el transporte de sedimentos.

Metodología

A fin de caracterizar al sistema se plantearon dos vías complementarias:

Experimentos de laboratorio

•Rampa impermeable•Sensores de nivel.•Velocidades (ADV).•Desarrollo de una técnica de medición no intrusiva.•Presiones en el fondo

Modelo numérico•Resuelve las ecuaciones RANS.•Reproducir condiciones medidas.•Validación del modelo.•Uso diagnóstico del mismo

Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM

0 24 280

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

WG1 WG2 WG3 WG4 WG5 - WG8

SWL= 0.44m

Impermeable slope 1:5

Cross-shore distance from paddle (m)

Ele

vati

on

(m

)

26 26.90.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

SWL= 0.44m



Ele

vati

on

(m

)

26 26.90.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

SWL= 0.44m



Ele

vati

on

(m

)X

pt1=25.6m

Array ofPressuretransducers@ dx=0.018m

c)b)

a)

Instrumentación

•Rampa impermeable.•Sensores de nivel (8).•Velocímetro acústico.•Sensores de presión (10).


Test No.

H(m) T (s)

1 0.12 1 0.70472 0.14 1 0.65253 0.16 1 0.61034 0.17 1 0.59215 0.14 1.2 0.75406 0.16 1.2 0.70537 0.17 1.2 0.66508 0.10 1.5 1.04409 0.15 1.5 0.852410 0.18 1.5 0.778111 0.10 2 1.246312 0.15 2 1.017613 0.18 2 0.9289

Pedrozo-Acuña et al. (2008)

Rotura intensa


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

ma

x P

(m

H2O

)

a) T=1s

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

b) T=1.2s

173 183 193 203 213 223 233 2430

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Cross-shore distance from toe (cm)

ma

x P

(m

H2O

)

c) T=1.5s

173 183 193 203 213 223 233 2430

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Cross-shore distance from toe (cm)

d) T=2s

H=0.10mH=0.15mH=0.18m

H=0.10mH=0.15mH=0.18m

H=0.14mH=0.16mH=0.17m

H=0.12mH=0.14mH=0.16mH=0.17m

Variación espacial del campo de presión


0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1

u(m

s-1)

BEFORE BREAKING

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1BREAKING

0 0.5 1 1.5-20

-10

0

10

20

Time (s)

0 0.5 1 1.5-20

-10

0

10

20

Time (s)

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1SWASH

0 0.5 1 1.5-40

-30

-20

-10

0

10

Time (s)

P

ax/g

Zona de someramiento Zona de rotura Zona de vaivén

Variación espacial del gradiente de presión y du/dt


Desarrollo de una técnica de velocimetría no intrusiva (BIV)


Paso 1- Fotografías a alta velocidadFotogramas a alta velocidad (1008 fotos por segundo) – Fastec (HiSpec)

Instantes mostrados cada 200 fotos


Paso 2 – Procesamiento de la imagen•Inversión de color de las fotos. Identificación de las formas y texturas de las burbujas.


t0t0+dt

dz

dx

V=d/t

Modelación numéricaEcuaciones de Navier Stokes con promedio de Reynolds (RANS)

0

i

i

x

u0

i

i

x

u0

i

i

x

u

0i

i

u

x

Originalmente desarrollado por la NASA.Adaptado para el estudio de oleaje en rotura sobre estructuras (e.g.Lin &

Liu, 98).Pueden ser utilizados como herramienta diagnóstica para identificar

procesos clave en el transporte de sedimentos.

01 1i ij

ij

ji

i

i jj

guu

uu

t

p

xx

u

xx

(a) (c) (d)(b)

Modelación numéricaEstudios diagnósticos

Caracterización del gradiente de presión

'

1

' '

1

' 'xx

I

I I

I

xzx

I

VIV

I

pg

x

uu

z xu

t

uw

x z

01 1ij

i ij ii

ji jj

pg

u uu

x

u

x xu

t x

Comparación de Velocidad vertical (w) durante el ascenso de la ola. Cuadros superiores – Mediciones BIV y cuadros inferiores – modelo RANS.

ResultadosModelo RANS vs Mediciones BIV

Comparación de Velocidad horizontal (u) durante el ascenso de la ola. Cuadros superiores – Mediciones BIV y cuadros inferiores – modelo RANS.

0 0.5 1 1.5

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

Ve

loc

ity

(m

/s)

0 0.5 1 1.5

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time (s)

Vel

oci

ty (

m/s

)

Modelación numéricaComparación de resultados

2cm

2cm

Vectrinos

Zona de lavado Zona de

rotura

Velocidades obtenidas por BIVVelocidades obtenidas por el ADV.Velocidades obtenidas por el modelo RANS.

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1SWASH

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1BREAKING

0 0.5 1 1.5-40

-30

-20

-10

0

Time (s)

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1

u (

ms-1

)

OFFSHORE

0.5 1 1.5-20

0

20

40

Time (s)

0 0.5 1 1.5-20

0

20

40

Time (s)

ax/g

Px

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1SWASH

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1BREAKING

0 0.5 1 1.5-40

-30

-20

-10

0

Time (s)

0 0.5 1 1.5-1

-0.5

0

0.5

1

u (

ms-1

)

OFFSHORE

0.5 1 1.5-20

0

20

40

Time (s)

0 0.5 1 1.5-20

0

20

40

Time (s)

ax/g

Px

Conclusiones

A partir de los resultados procesados en este estudio (en curso), se rescatan las siguientes conclusiones:

Se caracterizó la naturaleza espacial del gradiente de presión a lo largo de la zona de cercanías de la costa (rompientes y vaivén).

Existe consistencia en las mediciones realizadas con un el valor de Pmax asociado al impacto del oleaje en rotura sobre la playa.

El gradiente de presión es máximo en el punto de impacto, mientras que presenta valores mínimos en la zona de vaivén.

Se investigó la relación entre la aceleración local y el gradiente de presión indicando que en la zona de lavado es necesario considerar los términos de advección.

Se caracterizó la variación espacio-temporal del campo de velocidades en condiciones de rotura intensa.

Productos terminadosArtículos en revistas internacionales:

1. Estimation of instantaneous velocity field in the surf and swash zones. Experiments in Fluids (en revisión) Springer.

2. Laboratory investigation of pressure gradients induced by plunging breakers. Coastal Engineering (en revisión) ELSEVIER.

3. Sobre el uso de las ecuaciones de Navier-Stokes en el campo de la ingeniería de costas, Revista Tecnología y Ciencias del Agua, IMTA (aceptado).

1 Tesis de licenciatura de la FI-UNAM1 Artículos en el Congreso Internacional de Ingeniería Costera 20102 Artículos en el Congreso Nacional de Hidráulica 20102 Artículos en el Congreso Latinoamericano de Hidráulica 2010

Agradecimientos

Financiamiento PAPIIT IN106610 y A2

Laboratorio de Oleaje del IIUNAM Dr. Rodolfo Silva Casarín Dr. Edgar Mendoza Baldwin

Colaboradores IIUNAM Dr. Alec Torres Freyermuth

Equipo de becarios César Gutiérrez Valencia Ariadna Cruz Quiroz Xavier Chávez Cárdenas Germán Rivillas Ospina Miguel A. Laverde Barajas Jorge G. González Armenta Juan Pablo Rodríguez Rincón

adrián pedrozo acuña coordinación de hidráulica reunión informativa anual 2011

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