Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.

Scaling in Soil and Other Complex Porous Media

Scaling is becoming an increasingly important topic in the earth and environmental sciences as researchers attempt to understand complex natural systems through the lens of an ever-increasing set of methods and scales. The guest editors introduce the papers in this issue’s special section and present an overview of some of the work being done. Scaling remains one of the most challenging topics in earth and environmental sciences, forming a basis for our understanding of process development across the multiple scales that make up the subsurface environment. Tremendous progress has been made in discovery, explanation, and applications of scaling. And yet much more needs to be done and is being done as part of the modern quest to quantify, analyze, and manage the complexity of natural systems. Understanding and succinct representation of scaling properties can unveil underlying relationships between system structure and response functions, improve parameterization of natural variability and heterogeneity, and help us address societal needs by effectively merging knowledge acquired at different scales.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.