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A wave flume is used to study a scaled model of a stepped bottom dual-chamber Oscillating Water Column (OWC) installed onshore. Compared to traditional single-chamber OWCs, the use of dual-chambers is expected to widen the range of sea states in which the OWC is more efficient, and the step, in front of the first chamber, boosts the capturing energy capacity of the device. The Power Take-Off (PTO) system is modelled as an air opening in the pneumatic chambers. Several experiments combining regular incident waves and PTO damping conditions are performed. Results of the amplitudes of the free surface elevations inside the chambers show that the device can amplify the incident wave amplitude up to 1.57 times in chamber 2. Results of the primary efficiency show that the device is highly dependent on the PTO damping characteristics and can reach around 40% for a wide range of wave periods. Results of the reflection analysis show that the reflection coefficient is also dependent on the PTO damping characteristics but remain lower than 0.6 for all the studied cases. Sloshing phenomenon (mostly in the cross-section direction) was observed for a wavelength close to the cross-section dimension, impacting negatively on the device pneumatic performance.

Performance and hydrodynamics of an array of Oscillating Water Column (OWC) Wave Energy Converter (WEC) integrated into a vertical breakwater is studied. The FLUENT® software, in which the numerical model is based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations and the Volume of Fluid method for free surface flow modeling, is used in a 3D numerical wave tank. Three vertical breakwater configurations subject to the action of incident regular waves with periods from 6 to 12 s are studied: normal breakwater, with vertical walls parallel to the direction along the breakwater length; and two novel breakwater geometries, partially and fully convergent breakwaters, whose converging vertical walls are inclined

This study aims to validate a numerical model based on Reynolds-averaged Navier

Storms impacting sandy coastal areas produce hazards such as erosion and overwash that, in turn, promote risk to life and property damage in occupied areas. Coastal damage and risks willincrease in the future not only in association with climate change but also due to the growinghuman occupation in coastal areas (van Dongeren et al., 2018). Since the threatened coastal areas are often densely populated, there is a need to implement measures to prevent risks. One of such measures is the use of Early Warning Systems (EWS) that anticipate expected risks and, therefore, work as management tools to minimize or avoid disaster. This work presents the basis of an EWS prototype to alert about the potential consequences of overwash/overtopping and erosion induced by storms, in coastal areas.

Beaches combined with sloping structures are frequently the frst element of defense to protect urban areas from the impact of extreme coastal fooding events. However, these structures are rarely designed for null wave overtopping discharges, accepting that waves can pass above the crest and threat exposed elements in hinterland areas, such as pedestrians, urban elements and buildings, and vehicles. To reduce risks, Early Warning Systems (EWSs) can be used to anticipate and minimize the impacts of fooding episodes on those elements. A key aspect of these systems is the defnition of non-admissible discharge levels that trigger signifcant impacts. However, large discrepancies in defning these discharge levels and the associated impacts are found among the existing methods to assess foodings. Due to the lack of standardization, a new conceptual and quantitative four-level (from no-impact to high-impact) categorization of food warnings (EW-Coast) is proposed. EW-Coast integrates and unifes previous methods and builds on them by incorporating feld-based information. Thus, the new categorization successfully predicted the impact level on 70%, 82%, and 85% of the overtopping episodes afecting pedestrians, urban elements and buildings, and vehicles, respectively. This demonstrates its suitability to support EWSs in areas vulnerable to wave-induced fooding.

During physical scale model tests of rubble mound breakwaters, the assessment of the eroded volume of the armour layer subjected to incident sea waves can be determined from consecutive surveys of the surface of the armour layer after each test run. This enables one to assess the damage level of the struc ture by comparing erosion profiles and by the eroded volume between consecutive surveys of the tested section. The present study aimed to evaluate the damage evolu tion of a section of the Peniche harbour west breakwater, whose armour layer is made of tetrapods, A dimensionless damage parameter was computed, based on the eroded volume at the end of each test. The test program consisted of three test series (A, B and C) with different durations and wave conditions sequences, considering the low-water level (water depth of 0.20 m at the toe of the structure) and high-water level (0.24 m) and sea states with peak periods Tp = 1.70 s and Tp = 1.98 s and significant wave heights, Hm0, ranging between 0.12 m and 0.19 m. The model was built and operated according to Froude

Melby presents a formula to predict damage evolution in rubble-mound breakwaterswhose armour layer is made of rock, based on the erosion measured in scale-model tests and thecharacteristics of the incident sea waves in such tests. However, this formula is only valid for armourlayers made of rock and for the range of tested sea states. The present work aims to show howthe Melby methodology can be used to establish a similar formula for the armour layer damageevolution in a rubble-mound breakwater where tetrapods are employed. For that, a long-durationtest series is conducted with a 1:50 scale model of the quay section of the Ericeira Harbour breakwater.The eroded volume of the armour layer was measured using a Kinect position sensor. The damageparameter values measured in the experiments are lower than those predicted by the formulationfor rock armour layers. New ap and b coefficients for the Melby formula for the tested armour layerwere established based on the minimum root mean square error between the measured and thepredicted damage. This work shows also that it is possible to assess the damage evolution in scale model tests with rubble-mound breakwaters by computing the eroded volume and subsequently, thedimensionless damage parameter based on the equivalent removed armour units.

The objective of this work is the comparison of two methodologies used for run-up measurements in a two-dimensional physical model, which represented the protection breakwaters of the Peniche and Ericeira

Coastal flooding prediction systems can be an efficient risk-reduction instrument. The goal of this study was to design, build, test, and implement a wave-induced flooding early warning system in urban areas fronted by sandy beaches. The system utilizes a novel approach that combines Bayesian Networks and numerical models (SWAN + XBeach) and was developed in two phases. In the development phase, firstly, the learning information was generated including the creation of oceanic conditions, modeling overtopping discharges, the haracterization of the associated im pacts (no, low, moderate and high) in pedestrians, urban components and buildings, and vehicles, and secondly, the Bayesian Networks were designed that surrogated the previously generated information. After their training, the conditional probability tables were created representing the foundation to make predictions in the operational phase. This methodology was validated for several historical events which hit the study area (Praia de Faro, Portugal), and the system correctly predicted the impact level of around 80% of the cases. Also, the predictive skills varied depending on the level, with the no and high impact levels overcoming the intermediate levels. In terms of efficiency, one simulation (deterministic) of coastal flooding for 72 h by running SWAN + XBeach operationally would take more than two days on a one-logical processor workstation, while the current approach can provide quasi-instantaneously predictions for that period, including probability distributions. Moreover, the two-working phase approach is very flexible enabling the inclusion of additional features such as social components representing a powerful tool for risk reduction in coastal communities.

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Os efeitos das alterações climáticas aumentaram a necessidade de investigar a capacidade da vegetação em atenuar a força das ondas, nas zonas costeiras. Apoiando-se em modelação física, analítica e numérica da propagação de ondas sobre vegetação, este estudo teve como objetivos: i) analisar a diferença na dissipação de ondas sobre campos de vegetação rígida e flexível, ii) caracterizar o movimento de vegetação flexível, iii) estimar o coeficiente de arrasto de vegetação rígida e vegetação flexível, e iv) analisar a influência da flexibilidade (movimentoda vegetação) e da força de inércia no coeficiente de arrasto.

Na presente dissertação, desenvolveu-se uma metodologia para caracterização do movimento de um navio amarrado no interior de portos na presença de um campo de ondas. Esta metodologia consiste em utilizar vários modelos numéricos para caracterizar convenientemente: a) a propagação das ondas desde o largo até ao local de acostagem; b) a modificação das características das ondas no interior do porto; c) a ação das ondas sobre o navio; d) a resposta do navio; e) as forças resultantes no sistema de marração. Os modelos utilizados são:· SWAN: modelo não linear espectral para simular a propagação de ondas em zonas costeiras extensas;· DREAMS: modelo linear para simular a propagação de ondas em zonas costeiras abrigadas;· BOUSS-WMH: modelo não linear para simular a propagação de ondas regulares e irregulares em zonas costeiras abrigadas;· GMALHA: gerador de malhas de elementos finitos triangulares;· WAMIT®: que resolve, no domínio da frequência, os problemas de radiação e de difração na interação de um corpo flutuante livre com as ondas;· NPP: gerador de painéis planos sobre o casco do navio;· HYDRO: que transforma os resultados da interação do corpo flutuante livre com as ondas do domínio da frequência para o domínio do tempo;· BAS: que resolve as equações de movimento de um navio amarrado.O desempenho do modelo BOUSS-WMH, em situações de grande não linearidade, foi analisado através da simulação de quatro casos de teste também simulados em laboratório. O BOUSS-WMH provou ser um modelo robusto capaz de representar a deformação da superfície livre de forma adequada, embora, em zonas com forte não linearidade, tenha apresentado algumas limitações, nomeadamente na formaçãode harmónicas de ordem superior à terceira. Verificou-se que os resultados numéricos tendiam a sobrestimar os valores da altura de onda em zonas pouco profundas.Para minorar estas limitações e tornar o modelo mais robusto, fiável e adequado para ser aplicado em casos reais, foram adicionados e implementados novos termos às equações do modelo BOUSS-WMH, nomeadamente, a reflexão parcial, o atrito de fundo e a rebentação (fenómenos físicos inerentes às águas pouco profundas e zonas confinadas).A reflexão parcial foi implementada a partir da adição de um termo de viscosidade na equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com reflexão parcial foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Porto de Vila do Porto, ilha de Santa Maria, Açores), e os resultados foram comparados com medições em ensaios em modelo físico. Verificou-se que a implementação da reflexão parcial diminui em 44% o erro médio quadrático face à simulação com fronteiras totalmente refletoras.O atrito de fundo foi implementado a partir da adição de um termo representativo da tensão tangencial de fundo à equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com atrito de fundo foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Praia de Faro). Verificou-se que a introdução do atrito de fundo dissipa energia como pretendido e reduz as instabilidades numéricas.A rebentação foi implementada com a introdução de um termo de viscosidade turbulenta. Dois critérios distintos foram introduzidos para definir o início e o final da rebentação: a) FSA, baseado na aceleração da elevação da superfície livre; b) RTFN, baseado no número Froude relativo da cava. O modelo com rebentação foi aplicado a três casos de teste estudados em laboratório. A comparação dos resultados do modelo com as medições dos ensaios físicos permite dizer que, de um modo geral, o modelo numérico simula muito bem a localização da rebentação, bem como a dissipação de energia a ela associada. O critério de rebentação baseado no método de RTFN tende a sobrestimar a altura das ondas, mas apresenta índices de concordância maiores do que os obtidos com o critério FSA. A vantagem deste método reside no menor número de parâmetros a calibrar. Os resultados alcançados foram muito bons, dada a complexidade do fenómeno de rebentação das ondas e a simplicidade dos termos utilizados na sua modelação.O gerador GMALHA também foi alvo de melhoramentos nos algoritmos de geração, de forma a possibilitar a existência de ilhas no interior do domínio de cálculo.O modelo numérico WAMIT® foi desenvolvido para aplicações em mar aberto sem muitas estruturas refletoras próximas do navio. Todas as estruturas devem ser discretizadas, o que aumenta exponencialmente o esforço computacional exigido, e são obrigatoriamente totalmente reflectoras. Ora esta é uma limitação importante quando se está no interior de um porto, primeiro devido às dimensões e depois devido às fronteiras parcialmente refletoras. Assim, o modelo WAMIT® foi modificado de modo a incluir as características das ondas modeladas previamente com um dos modelos de propagação. Foram desenvolvidas duas novas rotinas HASK_D e HASK_B, respetivamente para o modelo linear DREAMS e para o modelo não linear BOUSS-WMH. Estas rotinas e as modificações ao modelo WAMIT® foram validadas com a aplicação a casos simples onde o modelo WAMIT® original também podia ser aplicado. A presença de um campo de ondas difratadas pela presença de uma estrutura fixa foi simulada com sucesso. Existem diferenças pouco significativas, principalmente nas altas frequências. Uma explicação para estas diferenças relaciona-se com o facto de que as ondas com períodos baixos apresentam maiores instabilidades numéricas à medida que diminui o número de pontos por comprimento de onda na malha de elementos finitos.Com o intuito de facilitar o tratamento da informação, que, num estudo deste género, tem um volume e complexidade consideráveis, foram desenvolvidas interfaces para cada um dos modelos e estes foram acoplados numa ferramenta integrada

Esta dissertação divide-se em duas partes principais, uma dedicada ao desenvolvimento e validação de um novo modelo numérico para a propagação de ondas fracamente não lineares com a inclusão da dissipação de energia por rebentação, e uma dedicada ao desenvolvimento de um sistema integrado de modelação da agitação marítima em zonas costeiras e portuárias, GUIOMAR, para a utilização simplificada de modelos de propagação de ondas e para o apoio à tomada de decisão em estudos de engenharia costeira (quer correntes, quer situações de emergência).Na primeira parte, as equações de Beji e Nadaoka (1997a,b), são extendidas de forma a incluírem dissipação de energia por rebentação, através da consideração das tensões de Reynolds na equação da conservação da quantidade de movimento e da dedução de uma formulação alternativa da equação não linear de declive suave dependente do tempo. O modelo desenvolvido neste trabalho é aplicado a três testes de ensaios em modelo físico, que abrangem praias de declive constante e um perfil barra-fossa. Os testes efectuados permitiram seleccionar o critério de rebentação e definir regras para a determinação dos valores para as condições críticas de início e de fim da rebentação, calibrar o valor a atribuir ao parâmetro dos termos dissipativos e estabelecer regras para a sua definição, assim como para avaliar o desempenho do modelo. Foram obtidos bons resultados, embora o empolamento da onda tenha sido subestimado. Verificou-se uma estreita relação entre o valor a utilizar para a condição crítica de início da rebentação e a declividade da onda à entrada do domínio de cálculo, e entre o valor óptimo para o parâmetro dos termos dissipativos e o número de Ursell à entrada do domínio.Na segunda parte, apresenta-se a estrutura do sistema GUIOMAR, assim como as interfaces suas constituintes. O sistema GUIOMAR permite a utilização simplificada de modelos de agitação marítima, incluindo a construção, manipulação e visualização de dados e resultados. Estes factores contribuem para a sua afirmação como uma ferramenta de apoio à tomada de decisão em estudos de engenharia costeira e portuária. Foca-se também a avaliação das variabilidades de origem geográfica nos resultados dos modelos, nomeadamente as associadas à escala e resolução dos dados batimétricos utilizados, aos métodos de interpolação mais comuns e à subjectividade inerente à definição das linhas de costa. Da análise do comportamento dos modelos de agitação marítima constatou-se a necessidade de ter em atenção no respectivo estudo, aos dados de batimetria utilizados e às interpolações a que se recorre. São delineadas sugestões/recomendações para um futuro utilizador do sistema GUIOMAR aquando da utilização de métodos de interpolação.

Portugal is one of many countries in the world that suffers from coastal erosion.Conventional ways of protecting a coastline appear to entail some disadvantages. Aninnovative and interesting way of protecting a local coastal zone by means of multifunctionalartificial reefs avoids some of them. A multi-functional artificial reef is asubmerged breakwater which, besides the helping to protect the local coastline, canoffer other purposes; in particular, it may enhance the surfing possibilities and theenvironmental value of the local area. The structure has several positive side-effects:first, it provides an unimpaired visual amenity; second, it offers tourist and economicbenefits by improving the surfing conditions; third, it can enhance the environmentalvalue of the area where it is built, and fourth, with a proper design the down drifterosion can be minimal.An optimal reef design for the Leirosa beach, located to the south of Figueira da Foz,midway along the Portuguese West Atlantic coast, is investigated. In order to achievethis optimal design several steps were conducted. A preliminary design, as a result of atheoretical study, achieved step by step, is proposed for a multi-functional artificial reefmaking use of the theory and of the state of the art. The proposed reef geometry is usedas initial design in the numerical and physical tests, which were executed to analyze thecapacity of a multi-functional reef breakwater to protect the local coastline of Leirosa,Portugal, and to increase the local surfing possibilities. Further, a physical and anumerical 2DV study have been executed to get insight in the influence of the length ofthe reef and in the submergence on the Iribarren number, which is an indication for thebreaker type. In this study, also the optimum height for the reef has been defined.Subsequently, in order to be able to investigate the three design parameters: the reefangle, the geometry of the reef (with or without a platform) and the horizontaldimensions in 2DH for the optimal geometry, the Boussinesq-type COULWAVE modelwas validated; finally, a 2DH numerical study has been conducted with COULWAVEto define the best values for these parameters.In terms of surfability, and for the conditions of the local coastline of Leirosa, thefollowing values for the main parameters were found: a reef angle of 66°, a structureheight of 3.20 m, a reef geometry composed by a delta without platform, a reefsubmergence of 1.50 m and a structure seaward slope of 1:10.The calibration of the numerical model COULWAVE has shown that it can be usedvery well to simulate the hydrodynamics around an MFAR. However, improvementsare recommended on the actual version of COULWAVE. These improvements includemainly the introduction of bottom porous structures. Even though the mean velocityfields give an indication about the sediment transport, they are not sufficient to get a deep insight about the influence of an MFAR on the morphology around the structure.For a proper design of the reef, particularly for the protection of a local coastline, amorphological study has to be executed. / Portugal é um dos muitos países no mundo que sofre os efeitos adversos da erosãocosteira. É sabido que as formas convencionais de protecção costeira apresentamalgumas desvantagens. Uma forma particularmente interessante de proteger oucontribuir para a protecção local de um troço da zona costeira, minimizando algumasdas desvantagens das estruturas tradicionais, é através da construção de recifesartificiais multi-funcionais. Um recife artificial multi-funcional é um quebra-marsubmerso construído com objectivos de ajudar a proteger localmente a zona costeira eoferecer outras valências, nomeadamente, aumentar as possibilidades locais para aprática de surf e contribuir para a valorização ambiental da região.Um recife artificial com estas características apresenta diversos aspectos positivos. Comefeito, esta estrutura: (1) não tem qualquer impacto visual negativo; (2) oferece osbenefícios económicos resultantes da atracção turística, ao melhorar as condições locaispara práticas de surf e/ou outros desportos náuticos (mergulho e pesca); (3) permiteaumentar o valor ambiental da região, e (4) com um projecto adequado permite reduzirao mínimo os efeitos adversos da erosão local ou prolongar mesmo a praia por efeito detômbolo.Neste trabalho são investigados os parâmetros característicos de um recife artificialmulti-funcional, tendo como caso de estudo um troço da zona costeira da Leirosa,situado a cerca de 15 km a sul da Figueira da Foz, Portugal. Para obter as característicasóptimas da estrutura a construir foram realizados vários estudos ao longo de diversasetapas. Como resultado do estado da arte e de um estudo teórico, realizado passo apasso, é proposta uma geometria preliminar de recife artificial multi-funcional. Estageometria preliminar do recife é em seguida utilizada como projecto inicial de diversostestes em modelo numérico e em modelo físico para analisar a sua capacidade naprotecção da praia e do cordão dunar da Leirosa e, em simultâneo, analisar aspossibilidades locais para a prática de surf.Além dos testes realizados em modelo físico, foi efectuado um estudo numéricoutilizando o modelo 2DV COBRAS-UC para obter informações sobre a influência docomprimento do recife e da submersão do mesmo no número Iribarren, sendo este umparâmetro que fornece uma boa indicação do tipo de rebentação a esperar. Neste estudofoi igualmente investigada a altura ideal para o recife. Posteriormente, procedeu-se àvalidação de um modelo numérico 2DH do tipo Boussinesq, o modelo COULWAVE,tendo como objectivo analisar a influência de três parâmetros de projecto com particulardesenvolvimento no plano horizontal: o ângulo do recife, a geometria do recife (com ousem plataforma) e as suas dimensões horizontais. Uma vez validado, foi este modelo numérico utilizado para analisar a influência daqueles parâmetros e identificar os seusvalores mais adequados para a definição de uma geometria optimizada do recife.Em termos de características para a prática de surf, e para as condições locais do litoralda Leirosa, foram identificados os seguintes valores para os principais parâmetros: umaestrutura de recife com ângulo de 66º, altura de 3.20 m e uma geometria composta porum delta sem plataforma, uma submersão do recife de 1.50 m e um declive de barlamarda estrutura de 1:10.A calibração do modelo numérico COULWAVE mostrou que este pode ser usado comsucesso para simular a hidrodinâmica em torno de um recife artificial multi-funcional.No entanto, recomendam-se melhorias na actual versão deste modelo. Tais melhoriasincluem principalmente a possibilidade de modelação com fundos porosos. Embora oscampos da velocidade média forneçam uma primeira indicação sobre o transporte desedimentos, esta informação não é por si só suficientemente profunda para obterconclusões definitivas quanto à influência de uma estrutura com estas característicassobre a morfologia local. Para uma concepção mais adequada da estrutura final dorecife, em particular para efeitos de protecção costeira, deverá ser elaborado um estudomorfodinâmico.

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