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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
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
Impermeable slope 1:5
Cross-shore distance from paddle (m)
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).
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
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
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
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
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
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
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
Desarrollo de una técnica de velocimetría no intrusiva (BIV)
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
Paso 1- Fotografías a alta velocidadFotogramas a alta velocidad (1008 fotos por segundo) – Fastec (HiSpec)
Instantes mostrados cada 200 fotos
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
Paso 2 – Procesamiento de la imagen•Inversión de color de las fotos. Identificación de las formas y texturas de las burbujas.
Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM
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