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Nowadays, the use of RANS-based models for simulating numerical wave flumes and studying coastal engineering structures is common and allows investigating accurately phenomena that occur in current/wavestructure interactions. Comprehension of energy transformations in these processes can support designers tooptimize the system. In this study, a methodology to evaluate the terms of the energy rate balance in coastalengineering problems is developed. The methodology is applied to the propagation of regular waves in numericalwave flumes, onshore oscillating water column wave energy converter integrated into a vertical breakwater, andtwo types of rubble-mound breakwaters. The direct determination of the energy rate due to viscous and urbulencelosses and the porous resistance in rubble-mound breakwaters are carried out by time integration insidethe computational domain. Besides, the reflected and transmitted energy rates in the flume are calculated bymeans of this methodology, instead of the standard gauge methods, commonly used in physical and numericalflumes. Complementary, studies may be carried out for random incident waves and the methodology can beapplied to 3D wave tanks.

The evaluation of damage progression caused by wave action on physical models of rubble-mound breakwaters can be accomplished through two types of methods: quantifying the movements and falls of the resistant armor elements by visual inspection (the traditional, classical method) or determining the eroded volumes and depths between consecutive surveys of armor layers using sensors and photogrammetric methods (3D scanning methods). Of the latter, one may use techniques such as the so-called "Kinect", "Photogrammetry" and "LiDAR". The end-product of these techniques is, among others, point clouds, which allow obtaining three-dimensional surface models. In this paper, four of the latter techniques (3D scanning methods) are briefly described, and a comparison is made between them regarding their usability in current tests, their advantages and disadvantages, among themselves for a study case of the physical 3D model of the Ericeira breakwater. In evaluating survey quality across the four methods, RMSE (root mean square error) was employed to align obtained point clouds with ground control points (GCP). Notably, Photogrammetry, Kinect, and Azure techniques showed excellent RMSE values. Conversely, the LiDAR-derived-method cloud, using a smartphone with LiDAR sensor and 3dScanner app, fails to yield acceptable and accurate results for the research objectives of this paper.

Data of wave dissipation over vegetation fields was collected from laboratory flume experiments, fordifferent vegetation and wave conditions. An analytical model and a numerical model are applied to estimatethe wave dissipation obtained in the experiments, through the calibration of the bulk drag coefficient (CD).Results and conclusions will analyse and compare each model behaviour and obtained CD values.

Downtime of port terminals results in large economic losses and has a major impact on the overallcompetitiveness of ports. EarlyWarning Systems (EWS) are an effective tool to reduce ports

Coastal hazards such as flooding and erosion can cause large economic and human losses. Under this threat, early warning systems can be very cost-effective solutions for disaster preparation. The goal of this study was todevelop, test, and implement an operational coastal erosion early warning system supported by a particularmethod of machine learning. Thus, the system combines Bayesian Networks, and state-of-the-art numericalmodels, such as XBeach and SWAN, to predict storm erosion impacts in urbanized areas. This system wasdeveloped in two phases. In the development phase, all information required to apply the machine learningmethod was generated including the definition of hundreds of oceanic synthetic storms, modeling of the erosioncaused by these storms, and characterization of the impact levels according to a newly defined eerosion iimpactindex. This adimensional index relates the distance from the edge of the dune/beach scarp to buildings and theheight of that scarp. Finally, a Bayesian Network that acted as a surrogate of the previously generated informationwas built. After the training of the network, the conditional probability tables were created. These tablesconstituted the ground knowledge to make the predictions in the second phase. This methodology was validated(1) by comparing 6-h predictions obtained with the Bayesian Network and with process-based models, the latestconsidered as the benchmark, and (2) by assessing the predictive skills of the Bayesian Network through theunbiased iterative k-fold cross-validation procedure. Regarding the first comparison, the analysis considered theentire duration of three large storms whose return periods were 10, 16, and 25 years, and it was observed that theBayesian Network correctly predicted between 64% and 72% of the impacts during the course of the storms,depending on the area analyzed. Importantly, this method was also able to identify when the hazardous conditionsdisappeared after predicting potential consequences. Regarding the Regarding the second validationapproach, second validation approach, the k-fold cross-validation procedure was applied to the peak of a set ofvarying storms and it demonstrated that the predictive skills were maximized (63%

This paper investigates the influence of sea severity and mooring line pretension configuration on the operabilityof a moored vessel at a modified berthing site inside a port. A physical model was constructed to replicate thenew layout of the port of Leix

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.

Laboratory experiments of wave propagation over rigid and flexible vegetation fields, with the same configurations, were conducted to understand the effect of vegetation flexibility on the drag coefficient (CD). The direct method and the least squares method (LSM), based on force and flow measurements, are applied to calculate the CD in the experimental conditions. The formulations of both methods are extended to estimate the CD for flexible vegetation cases. A video analysis was performed to account for the swaying motion. Typically, wave dissipation is lower for flexible than for rigid vegetation of the same configuration, under the same flow condition. Therefore, a proportional effect in the corresponding CD results, obtained from common CD calibration to wave dissipation without considering vegetation motion, is usually observed. However, the present results show that although the wave dissipation was 34% lower for flexible relative to rigid vegetation, the respective CD values were close. CD estimations considering vegetation motion and inertia suggest that CD of flexible vegetation was up to 13% higher relative to rigid vegetation. Accounting for inertia reduced the CD for rigid vegetation up to 7%, while raised the CD for flexible vegetation up to 13%.

Aquatic vegetation in the littoral zone plays a crucial role in attenuating wave energy andprotecting coastal communities from hazardous events. This study contributes to the developmentof numerical models aimed at designing nature-based coastal defense systems. Specifically, a novelnumerical application for simulating wave

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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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