Generación de olas y esudio del rebase en un canal numérico de oleaje basado en el PFEM

Resumo

En esta tesis se desarrolla un canal numérico de oleaje basado en el Particle Finite Element Method (PFEM). El PFEM resuelve las ecuaciones completas de Navier-Stokes en su forma lagrangiana y fue desarrollado con el objetivo de resolver problemas de fluidos en superficie libre incorporando grandes deformaciones de la superficie libre bien como la interacción entre fluidos y sólidos. En primer lugar se incorpora en el canal numérico la capacidad de generación de olas regulares cortas mediante el uso de tres tipos de palas comúnmente usados en instalaciones experimentales de ingeniería marítima: pala tipo pistón, flap, y cuña. Se evalúa la robustez del canal numérico para simular a diferentes escalas de trabajo la generación de olas regulares cortas de características y forma de perfil variada, representativas de diferentes condiciones de no linealidad. La robustez del canal numérico se evalúa comparando resultados numéricos con datos experimentales obtenidos a gran escala y con resultados teóricos. En segundo lugar se incorpora en el canal numérico la capacidad de generación de olas regulares largas mediante la incorporación de teorías de generación basadas en la teoría de ola de Stokes de Segundo orden, teoría de ola Cnoidal y teoría de ola Solitaria. Se realizan ensayos en un canal físico de pequeña escala enfocados a la generación y propagación de olas regulares largas. Se desarrolla una metodología de análisis de datos para comprender la evolución en el tiempo y en el espacio de las olas generadas con énfasis en el análisis de la evolución de harmónicos libres. Se evalúa la robustez del canal numérico para generar y propagar correctamente olas regulares largas comparando, para tal, resultados numéricos con los datos obtenidos en laboratorio y con resultados teóricos. Finalmente, se investiga la capacidad del canal numérico de oleaje para simular el rebase en estructuras marítimas impermeables. Se reproduce en el canal numérico tres series de ensayos físicos de rebase con diferentes grados de complejidad en lo que respecta a los fenómenos físicos involucrados en los procesos de interacción entre olas y estructuras. Para los tres casos se evalúa el desempeño y la robustez del canal numérico comparando resultados numéricos con datos experimentales. En el primer caso, el menos complejo en lo que respecta a los fenómenos físicos involucrados, se estudia en un canal de fondo plano el rebase de olas regulares en un dique de baja cota de coronación sin que ocurra la rotura de las olas antes de la interacción entre la ola y el dique. Para estudiar este caso se ha diseñado, desarrollado y ensayado experimentalmente un caso test de fácil reproducción y comprensión en canal físico y numérico. En el segundo caso, se simulan en canal numérico ensayos del estado del arte de rebase con olas regulares de una estructura de baja cota de coronación ubicada en un plano inclinado. En este segundo caso se verifica la ocurrencia de rotura de las olas antes de su interacción con la estructura. En el tercer caso, se estudia en el canal físico y se reproduce en el canal numérico, ensayos correspondientes al estudio del rebase en una estructura portuaria de geometría compleja que ha registrado eventos de rebase durante su periodo de funcionamiento. En este último caso los procesos de interacción entre olas y estructura se estudian con olas irregulares y regulares. Del trabajo desarrollado en esta tesis se concluye que la implementación de la generación de olas regulares cortas y olas regulares largas en el canal numérico fue efectuada y validada con éxito. Los resultados obtenidos sugieren que un canal numérico basado en el PFEM puede usarse como una herramienta complementaria al modelado físico y a otras herramientas de cálculo, en el estudio del rebase en estructuras marítimas impermeables. Barcelona 10