Departamento de Hidráulica e Ambiente
Projetos - SPACE – Desenvolvimento e Validação de um Modelo SPH para Aplicações a Estruturas Costeiras
Desenvolvimento do modelo numérico SPH, baseado na forma Lagrangeana das equações da Mecânica dos Fluidos, para aplicações que exijam a interação entre ondas e obras costeiras impermeáveis (quebra-mares verticais) e porosas (quebra-mares de talude de enrocamento ou de blocos artificiais), mais concretamente na estimação das forças que atuam sobre a estrutura e durante o galgamento.
OBJETIVOS
Os principais objectivos do projecto SPACE são o desenvolvimento do modelo numérico SPH, baseado na forma Lagrangeana das equações da Mecânica dos Fluidos, para aplicações que exijam a interacção entre ondas e obras costeiras impermeáveis (quebra-mares verticais) e porosas (quebra-mares de talude de enrocamento ou de blocos artificiais), mais concretamente na estimação das forças que actuam sobre a estrutura e durante o galgamento.
Para tal, vão ser realizaram-se medições de campo no quebra-mar poente do porto de pesca de Albufeira (Algarve, Costa Sul do Portugal) pela equipa da Universidade do Algarve (UAlg), e ensaios em modelo físico do referido quebra-mar nas instalações experimentais do LNEC. Estas medições permitiram validar o modelo numérico à escala real e, conjuntamente com os dados de ensaios em modelo físico à escala reduzida, analisar os efeitos de escala e do modelo.
DESENVOLVIMENTO DAS ATIVIDADES
O modelo numérico original (SPHysics) foi alterado com vista à sua aplicação ao quebra-mar em estudo, implementando-se um batedor de tipo pistão com absorção dinâmica das ondas reflectidas, permitindo assim modelar um canal semi-infinito e, assim, suprimir os problemas de reflexão no domínio de cálculo, aumentar o tempo de simulação e possibilitar desta forma uma análise estatística dos resultados.
Análises de convergência do modelo numérico com a resolução (número de partículas) e comparações dos resultados com dados obtidos em modelo físico permitirão definir critérios específicos para futuras aplicações do modelo à estrutura em estudo.
Foi desenvolvido um método de acoplamento entre o modelo de propagação de ondas FLUINCO (Teixeira, FURG) ou Bouss-2D e o modelo SPH que permite modelar o canal completo, do batedor até ao quebra-mar, tendo em conta a transformação das ondas ao longo do canal. A metodologia de acoplamento, conjuntamente com a absorção dinâmica implementada no modelo SPH, permite reduzir significativamente a extensão do domínio computacional assim como o tempo de computação.
O modelo SPH permite modelar os blocos das camadas do manto exterior de uma estrutura costeira porosa. A modelação directa destas camadas requer uma resolução suficientemente fina para uma correcta modelação do escoamento no interior deste meio poroso. A principal vantagem desta abordagem que se pode calcular as forças exercidas em cada bloco ao longo do tempo. Todavia, esta abordagem exige considerar as camadas subjacentes impermeáveis e implica que os blocos do manto exterior estejam assentes sobre uma fronteira impermeável. Os blocos são igualmente simplificados e têm uma forma rectangular.
O quebra-mar foi totalmente equipado durante o período 2011-2012 e foi realizado o levantamento detalhado da topografia da estrutura costeira e da batimetria adjacente a esta estrutura até à cota dos -12 m (relativa ao nível médio do mar). Foi também estabelecido o protocolo de acção na eminência de evento de galgamento. Devido às condições atípicas do inverno marítimo de 2011-2012, não foram realizadas medições de campo no primeiro inverno do projecto SPACE. No entanto, no inverno 2012-2013 foram realizadas medições no quebra-mar durante dois eventos de galgamento.
RESULTADOS
1. MODELO SPH: desenvolvimento e validação
No âmbito dos desenvolvimentos do modelo numérico SPH (baseado no modelo freeware SPHysics), realizaram-se ensaios em modelo físico de três estruturas impermeáveis (dois quebra-mares de talude e um vertical) propositadamente definidos de forma a garantir uma reprodução consistente com as características do modelo numérico: as condições limite são iguais às do modelo físico (uma condição importante quando se pretende validar um modelo numérico com dados experimentais), quer no que diz respeito às dimensões do domínio de cálculo, quer ao movimento do batedor, do tipo pistão, de modo a replicar as mesmas condições de agitação. Os resultados obtidos (superfície livre, pressão e galgamento) permitiram definir critérios para a resolução e a capacidade do modelo para estimar as forças de impacto em quebra-mares verticais.
Com o objectivo de modelar estruturas costeiras reais, é necessário considerar a porosidade do manto, quer do enrocamento, quer dos blocos artificiais. Assim, foi implementado no modelo SPH a possibilidade de colocar blocos de forma quadrangular que permitem modelar directamente os blocos do manto e o escoamento fora e dentro do manto (i.e. entre os blocos que constituam o manto) com o objectivo de calcular as forças que actuam em cada bloco ao longo do tempo. Esta informação é importante para futuros estudos de estabilidade do quebra-mar de talude.
2. CASO DE ESTUDO: GALGAMENTO SOBRE O QUEBRA-MAR POENTE DO PORTO DE PESCA DE ALBUFEIRA
Campanha de campo
Modelo físico
A modelação física da secção do quebra-mar foi realizada num dos canais das instalações do LNEC à escala 1:30. O canal de ondas tem de 49.4m de comprimento, 1.6m de largura e 1.2m de altura. O quebra-mar está localizado a 37m do batedor de tipo pistão. VForam testadas várias características de ondas regulares incidentes para o nível de maré máximo, variando a altura de onda, H, e o período, T. Os dados foram adquiridos em 10 sondas resistivas para obter as series temporais de elevação de superfície livre quer no canal quer no interior da estrutura.
As características da onda incidente são controladas na sonda G2, ao pé da rampa inclinada de 1.2º. As sondas G3 até G7 permitem obter a elevação de superfície livre em frente ao quebra-mar. As sondas G8 e G11 estão localizadas no manto do quebra-mar para medir a altura de água em cima da camada de blocos e o nível de água dentro do meio poroso. A sonda G11 está localizada no coroamento do estrutura, no passadiço de betão impermeável, para medir a altura da lâmina de água que induz galgamento. Por fim, o volume galgado é medido utilizando uma sonda colocada num reservatório que permite recuperar a água galgada.
Resultados da aplicação dos modelos numéricos: AMAZON, IH-2VOF e SPH
Foi realizada uma análise de sensibilidade, considerando vários critérios de simulação dependentes de cada modelo numérico, para os modelos AMAZON, IH-2VOF e SPH.
Resultados de galgamento do AMAZON (a) e aspecto da superficie livre nas proximidades da estrutura AMAZON (b) e IH-2VOF (c).
Aplicação do modelo numérico SPH ao quebra-mar da Albufeira
A simulação numérica foi realizada para uma onda incidente regular com um período de 12s, uma altura de onda de 2.5 m e um nível de água de +3.5 m (CD), que corresponde a um período de onda de 2.191s, altura de 0.083m e a um nível de água de 0.112m para o modelo à escala de 1:30.
É utilizado um método de acoplamento entre o modelo de propagação de ondas FLUINCO (Teixeira, FURG) e o modelo SPH, permitindo modelar o canal completo considerando a transformação da onda ao longo do canal e do declive suave. O acoplamento é efectuado na secção correspondente a sonda G5.
O batedor com absorção dinâmica está colocado na secção G5 do canal. A metodologia de acoplamento conjuntamente com a absorção dinâmica permite reduzir significativamente a extensão do domínio computacional assim como o tempo de computação. O modelo SPH apenas considera a camada de enrocamento principal e as peças do manto são modelados por blocos rectangulares localizados acima do limite impermeável. A resolução utilizada foi de do=0.022m (volume 4.85x10-6 m3/m), correspondente a um total de N=131503 partículas. O tempo de simulação foi de 15s com um passo de tempo de 1.7x10-5s.
Os resultados numéricos estão em boa concordância com os dados obtidos experimentalmente tanto fora como dentro do quebra-mar. Pode-se observar, durante os testes experimentais, que não ocorre galgamento para a configuração de onda modelada e o espraiamento máximo não atinge o final do coroamento. Porém, na simulação numérica ocorre um pequeno galgamento, com um valor médio de 1.11x10-4 m3/s. Esta discrepância deve-se, possivelmente, à influência da camada porosa subjacente. O nível de água acima da camada de enrocamento obtida com o SPH é significativamente maior do que a experimental, o que explica a diferença no volume de galgamento.
Publicações selecionadas:
OBJETIVOS
Os principais objectivos do projecto SPACE são o desenvolvimento do modelo numérico SPH, baseado na forma Lagrangeana das equações da Mecânica dos Fluidos, para aplicações que exijam a interacção entre ondas e obras costeiras impermeáveis (quebra-mares verticais) e porosas (quebra-mares de talude de enrocamento ou de blocos artificiais), mais concretamente na estimação das forças que actuam sobre a estrutura e durante o galgamento.
Para tal, vão ser realizaram-se medições de campo no quebra-mar poente do porto de pesca de Albufeira (Algarve, Costa Sul do Portugal) pela equipa da Universidade do Algarve (UAlg), e ensaios em modelo físico do referido quebra-mar nas instalações experimentais do LNEC. Estas medições permitiram validar o modelo numérico à escala real e, conjuntamente com os dados de ensaios em modelo físico à escala reduzida, analisar os efeitos de escala e do modelo.
Porto de pesca de Albufeira e secção de estudo.
DESENVOLVIMENTO DAS ATIVIDADES
O modelo numérico original (SPHysics) foi alterado com vista à sua aplicação ao quebra-mar em estudo, implementando-se um batedor de tipo pistão com absorção dinâmica das ondas reflectidas, permitindo assim modelar um canal semi-infinito e, assim, suprimir os problemas de reflexão no domínio de cálculo, aumentar o tempo de simulação e possibilitar desta forma uma análise estatística dos resultados.
Análises de convergência do modelo numérico com a resolução (número de partículas) e comparações dos resultados com dados obtidos em modelo físico permitirão definir critérios específicos para futuras aplicações do modelo à estrutura em estudo.
Foi desenvolvido um método de acoplamento entre o modelo de propagação de ondas FLUINCO (Teixeira, FURG) ou Bouss-2D e o modelo SPH que permite modelar o canal completo, do batedor até ao quebra-mar, tendo em conta a transformação das ondas ao longo do canal. A metodologia de acoplamento, conjuntamente com a absorção dinâmica implementada no modelo SPH, permite reduzir significativamente a extensão do domínio computacional assim como o tempo de computação.
O modelo SPH permite modelar os blocos das camadas do manto exterior de uma estrutura costeira porosa. A modelação directa destas camadas requer uma resolução suficientemente fina para uma correcta modelação do escoamento no interior deste meio poroso. A principal vantagem desta abordagem que se pode calcular as forças exercidas em cada bloco ao longo do tempo. Todavia, esta abordagem exige considerar as camadas subjacentes impermeáveis e implica que os blocos do manto exterior estejam assentes sobre uma fronteira impermeável. Os blocos são igualmente simplificados e têm uma forma rectangular.
O quebra-mar foi totalmente equipado durante o período 2011-2012 e foi realizado o levantamento detalhado da topografia da estrutura costeira e da batimetria adjacente a esta estrutura até à cota dos -12 m (relativa ao nível médio do mar). Foi também estabelecido o protocolo de acção na eminência de evento de galgamento. Devido às condições atípicas do inverno marítimo de 2011-2012, não foram realizadas medições de campo no primeiro inverno do projecto SPACE. No entanto, no inverno 2012-2013 foram realizadas medições no quebra-mar durante dois eventos de galgamento.
RESULTADOS
1. MODELO SPH: desenvolvimento e validação
No âmbito dos desenvolvimentos do modelo numérico SPH (baseado no modelo freeware SPHysics), realizaram-se ensaios em modelo físico de três estruturas impermeáveis (dois quebra-mares de talude e um vertical) propositadamente definidos de forma a garantir uma reprodução consistente com as características do modelo numérico: as condições limite são iguais às do modelo físico (uma condição importante quando se pretende validar um modelo numérico com dados experimentais), quer no que diz respeito às dimensões do domínio de cálculo, quer ao movimento do batedor, do tipo pistão, de modo a replicar as mesmas condições de agitação. Os resultados obtidos (superfície livre, pressão e galgamento) permitiram definir critérios para a resolução e a capacidade do modelo para estimar as forças de impacto em quebra-mares verticais.
Escoamento nos modelos numérico e físico para um modelo de estrutura costeira
Estrutura costeira impermeável - Comparação dos resultados numéricos com dados de ensaios em modelo físico: a) Escoamento; Séries temporais da b) elevação de superfície livre, c) pressão e d) volume galgado.
Com o objectivo de modelar estruturas costeiras reais, é necessário considerar a porosidade do manto, quer do enrocamento, quer dos blocos artificiais. Assim, foi implementado no modelo SPH a possibilidade de colocar blocos de forma quadrangular que permitem modelar directamente os blocos do manto e o escoamento fora e dentro do manto (i.e. entre os blocos que constituam o manto) com o objectivo de calcular as forças que actuam em cada bloco ao longo do tempo. Esta informação é importante para futuros estudos de estabilidade do quebra-mar de talude.
Interacção entre uma onda regular e um quebra-mar de talude de blocos cúbicos do tipo Antifer.
2. CASO DE ESTUDO: GALGAMENTO SOBRE O QUEBRA-MAR POENTE DO PORTO DE PESCA DE ALBUFEIRA
Campanha de campo
Campanha de campo: Aspecto do galgamento sobre o quebra-mar, secção monitorizada e equipamento utilizado.
- Primeira medição de galgamento num quebra-mar em Portugal, incluindo altura de água, velocidade e caudal. Os dados foram adquiridos para condições de galgamento pequeno e grande durante dois eventos no inverno 2012-2013.
- Os dados adquiridos durante o evento de pequeno galgamento (inferior a 1.24*10-3 m3/s/m) são comparados com valores estimados usando os métodos empíricos. A ferramenta NN_OVERTOPPING2 corrigida permite obter uma estimação razoável mas a ferramenta NN_OVERTOPPING2 o não corrigida e as formulas do EurOtop não permitem definir correctamente os caudais medidos.
Posição dos principais transducers de pressão ao longo do perfil do quebra-mar
Comparação do caudal galgado médio medido na posição ST3 (Qst3) e ST9 (Qst9) e dos caudais calculados com as fórmulas do EurOtop (Formula) e a ferramenta NN_OVERTOPPING2 (Q’_NN).
Modelo físico
A modelação física da secção do quebra-mar foi realizada num dos canais das instalações do LNEC à escala 1:30. O canal de ondas tem de 49.4m de comprimento, 1.6m de largura e 1.2m de altura. O quebra-mar está localizado a 37m do batedor de tipo pistão. VForam testadas várias características de ondas regulares incidentes para o nível de maré máximo, variando a altura de onda, H, e o período, T. Os dados foram adquiridos em 10 sondas resistivas para obter as series temporais de elevação de superfície livre quer no canal quer no interior da estrutura.
As características da onda incidente são controladas na sonda G2, ao pé da rampa inclinada de 1.2º. As sondas G3 até G7 permitem obter a elevação de superfície livre em frente ao quebra-mar. As sondas G8 e G11 estão localizadas no manto do quebra-mar para medir a altura de água em cima da camada de blocos e o nível de água dentro do meio poroso. A sonda G11 está localizada no coroamento do estrutura, no passadiço de betão impermeável, para medir a altura da lâmina de água que induz galgamento. Por fim, o volume galgado é medido utilizando uma sonda colocada num reservatório que permite recuperar a água galgada.
Modelação física: esquema do canal e do quebra-mar e posição das sondas resistivas no canal e na estrutura.
Modelação física: canal e modelo (2D) à escala 1:30.
Dois instantes da interacção entre uma onda incidente regular e o quebra-mar, para T=12s, H=2.5m, nível de maré +3.5m (CD) (escala do protótipo): run-down (figura esquerda) e run-up (figura direita).
Resultados da aplicação dos modelos numéricos: AMAZON, IH-2VOF e SPH
Foi realizada uma análise de sensibilidade, considerando vários critérios de simulação dependentes de cada modelo numérico, para os modelos AMAZON, IH-2VOF e SPH.
Aspeto da malha computacional junto à estrutura: AMAZON (esquerda) e IH-2VOF (direita).
Resultados de galgamento com o modelo SPH: a) Modelo CFD da estrutura e b) volume galgado para diferente porosidade.
Aplicação do modelo numérico SPH ao quebra-mar da Albufeira
A simulação numérica foi realizada para uma onda incidente regular com um período de 12s, uma altura de onda de 2.5 m e um nível de água de +3.5 m (CD), que corresponde a um período de onda de 2.191s, altura de 0.083m e a um nível de água de 0.112m para o modelo à escala de 1:30.
É utilizado um método de acoplamento entre o modelo de propagação de ondas FLUINCO (Teixeira, FURG) e o modelo SPH, permitindo modelar o canal completo considerando a transformação da onda ao longo do canal e do declive suave. O acoplamento é efectuado na secção correspondente a sonda G5.
O batedor com absorção dinâmica está colocado na secção G5 do canal. A metodologia de acoplamento conjuntamente com a absorção dinâmica permite reduzir significativamente a extensão do domínio computacional assim como o tempo de computação. O modelo SPH apenas considera a camada de enrocamento principal e as peças do manto são modelados por blocos rectangulares localizados acima do limite impermeável. A resolução utilizada foi de do=0.022m (volume 4.85x10-6 m3/m), correspondente a um total de N=131503 partículas. O tempo de simulação foi de 15s com um passo de tempo de 1.7x10-5s.
Os resultados numéricos estão em boa concordância com os dados obtidos experimentalmente tanto fora como dentro do quebra-mar. Pode-se observar, durante os testes experimentais, que não ocorre galgamento para a configuração de onda modelada e o espraiamento máximo não atinge o final do coroamento. Porém, na simulação numérica ocorre um pequeno galgamento, com um valor médio de 1.11x10-4 m3/s. Esta discrepância deve-se, possivelmente, à influência da camada porosa subjacente. O nível de água acima da camada de enrocamento obtida com o SPH é significativamente maior do que a experimental, o que explica a diferença no volume de galgamento.
Domínio de cálculo SPH: o canal e o quebra-mar.
Comparação da elevação de superfície livre entre o modelo SPH e os dados experimentais, à escala de 1:30, para as sondas G7 (em cima) e G9 (em baixo).
Publicações selecionadas:
- Didier E., Martins R., Neves M.G., 2013, Numerical and experimental modeling of regular wave interacting with a composite breakwater. IJOPE - International Journal of Offshore and Polar Engineering, 23(1), pp 46-54.
- Didier E., Neves D.C.B., Martins R., Neves M.G., 2012, Modelling of an impermeable breakwater: comparison between SPH numerical model and physical model, RETERM, 11(1-2), pp 68-76.
- Didier E., Rodrigues A., Neves M.G., Neves D.R.C.B., 2013, Força de impacto num quebra-mar misto obtidas com um modelo numérico SPH e formulações empiricas. Proc. 8as Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuaria, eds Delegação Portuguesa da PIANC, Lisboa, Portugal.
- Neves D.R.C.B., Didier E., Neves M.G., 2013, Aplicação de modelo SPHyCE a estruturas porosas: Quebra-mar Oeste do porto de Albufeira. Proc. 8as Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuaria, eds Delegação Portuguesa da PIANC, Lisboa, Portugal.
- Dias J., Didier E., Neves D.R.C.B., Neves M.G., 2013, Modelação numérica à escala do protótipo de um quebra-mar de talude com o código SPHyCE. Proc. 8as Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuaria, eds Delegação Portuguesa da PIANC, Lisboa, Portugal.
- Didier E., Neves D.R.C.B, Teixeira P.R.F., Neves M.G., Soares H., Viegas M., 2013, Coupling of FLUINCO mesh-based and SPH mesh-free numerical codes for the modelling of wave overtopping over a porous breakwater. Proc. 6th SCACR – International Short Course/Conference on Applied Coastal Research, Lisbon, Portugal, (10 p. CDRom).
- Ferreira O, Reis T., Carrasco A.R., Neves M.G., Neves D., Didier E., 2013, Small overtopping at Albufeira harbour: filed measurements and modelling. Proc. 6th SCACR – International Short Course/Conference on Applied Coastal Research, Lisbon, Portugal, (10 p. CDRom).
- Neves, D.R.C.B, Didier E., Teixeira P.R.F, Neves M.G., 2013, Resolution refinement technique in a smoothed particle hydrodynamics numerical flume for coastal engineering applications. Proc. International Conference on Computational Methods in Marine Engineering V, MARINE 2013, B. Brinkmann and P. Wriggers (Eds), Hamburg, Deutshland, pp 388-399.
- Didier E., Neves D.R.C.B., Martins R., Neves M.G., 2012, Modelação de um quebra-mar de talude impermeável: comparação entre modelo numérico SPH e modelo físico. Proc. V Seminário e Workshop em Engenharia Oceânica – V SEMENGO, ISBN 978-85-7566-236-7, Rio Grande, RS – Brazil, pp 71-83.
- Neves D.R.C.B., Didier E., Reis T., Neves M.G., 2012, Overtopping of a porous structure using a Smoothed Particle Hydrodynamics numerical model. Proc. Coastlab12 – Fourth International Conference on the Application of Physical Modelling to Port and Coastal Protection, Ghent, Belgium.
- Didier E., Neves M.G., A semi-infinite numerical wave flume using Smoothed Particle Hydrodynamics. IJOPE - International Journal of Offshore and Polar Engineering, 22(3), pp 193-199, 2012.
- Didier E., Neves M.G., Reis M.T., Determinação do caudal galgado numa estrutura porosa utilizando um modelo Smoothed Particle Hydrodynamics. Proc. 2as Jornadas de Engenharia Hidrográfica, Lisboa, Portugal, 2012.
- Mariz S., Patrício T., Reis M.T., Neves M.G., Pires Silva A., Didier E., Hu K., Cálculo do galgamento no quebra-mar poente do Porto de Pesca de Albufeira: Aplicação dos modelos AMAZON e IH-2VOF. Proc. IV Conferência Nacional en Mecânica dos Fluidos, Termodinâmica e Energia, Lisboa, Portugal, 2012.
- Didier E., Martins R., Neves D., Neves M.G., Modelação física e numérica da interacção entre uma onda regular e um quebra-mar vertical, Proc. IV Conferência Nacional en Mecânica dos Fluidos, Termodinâmica e Energia, Lisboa, Portugal, 2012.
- Didier E., Martins R., Neves M.G., Vasco J.R.G., Interaction between wave and coastal structure: validation of two Lagrangian numerical models with experimental results. Proc. Computational Methods in Marine Engineering IV – MARINE 2011, ISBN 978-84-89925-31-1, (12 p. CDRom), Lisbon, Portugal, 2011.
- Didier E., Ferreira O., Matias A., Neves M.G., Reis M.T., Pacheco A., Desenvolvimento e validação de um modelo Smoothed Particle Hydrodynamics para aplicação a estruturas costeiras. Proc. 7as Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuaria, eds Delegação Portuguesa da PIANC, pp 30 (15 p. CDRom), Porto, Portugal, 2011.
- Didier E., Marins R., Neves M.G., Validação e aplicação de um modelo numérico SPH para o cálculo de forças num quebra-mar vertical. Proc. 7as Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portuaria, eds Delegação Portuguesa da PIANC, pp 23 (18 p. CDRom), Porto, Portugal, 2011.
- Didier E., Martins R., Neves G., Análise da interacção entre uma onda regular e um quebra-mar misto usando um modelo numérico SPH. Proc. Congresso de Métodos Numéricos em Engenharia – CMNE, pp 131 (20 p. CDRom), Coimbra, Portugal, 2011.
- Eric Didier, Inv. Responsável,LNEC
- Maria Graça Neves, Investigador, LNEC
- Maria Teresa Reis, Investigador, LNEC
- Óscar Manuel Fernandes Cerveira Ferreira, Investigador, UAlg
- Ana Margarida de Almeida Matias, Investigador, UAlg
- Diogo Rúben Castelo Branco das Neves, Bolseiro, LNEC
- André Miguel Duarte Pacheco, Bolseiro, UAlg
- João Dias, Bolseiro, LNEC
- Ana Rita Carrasco, Bolseira, UAlg
Ano: 2011-2013
Coordenador(es):
Laboratório Nacional de Engenharia Civil
Entidade(s) Financiadora(s):
Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)
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