Analisi numerico sperimentale dell’interazione del moto ondoso con particolari tipologie di strutture portuali. Il caso del cassone composito e dell’U-OWC

The present thesis aims at studying the interaction of flow field with two particular types of harbour structures: an anti-reflective combined caisson with front opening and internal rubble mound and an U-OWC type marine energy conversion device. The study was carried out by means of both physical and numerical modeling. The physical modeling involved the realization of two experimental campaigns within the flume of the Laboratory at Hydraulics and Hydraulic Constructions of the University of Messina. The two campaigns were focused respectively on the study of the combined caisson at a 1:40 scale and of the U-OWC device at a 1:30 scale. The laboratory tests were performed by forcing the two models with the action of regular waves, varying the hydrodynamic characteristics of the waves and the geometric characteristics of the caissons. The analysis of the results was carried out discussing measurements of free surface oscillation, pressure and velocity obtained acquired by means of a large instrumentation, consisting of level probes, pressure probes, pitot tubes and video cameras. Through the numerical approach, two 2D computational domains were created, using the CFD software OpenFOAM, which constitute a perfect representation of the two physical models in scale. The numerical models, validated and calibrated by means of the experimental data, were used to carry out tests on the variation of the hydrodynamic and geometric characteristics of the caissons, extending the experimental ranges of the reference quantities. The numerical-experimental study was mainly aimed at the analysis of reflection, stability and energy efficiency, this latter quantity in relation to the study of the U-OWC device. The obtained results made it possible to evaluate the hydraulic performance of both caissons and, as regards to the U-OWC caisson, to optimize its energy production. Finally, empirical formulations were proposed for calculating the reflection coefficient, the forces acting on the vertical walls of the caissons and energy efficiency, as regards to the U-OWC device.

Il presente lavoro di tesi mira allo studio dell’interazione del moto ondoso con due particolari tipologie di strutture portuali: un cassone composito antiriflettente con apertura frontale e riempito da materiale incoerente ed un dispositivo di conversione di energia marina del tipo U-OWC. Lo studio è stato effettuato mediante modellazione fisica e numerica. La modellazione fisica ha previsto la realizzazione di due campagne sperimentali presso il canale ad onde del Laboratorio di Idraulica e Costruzioni Idrauliche dell’Università degli Studi di Messina, rispettivamente per lo studio del cassone composito in scala 1:40 e del dispositivo U-OWC in scala 1:30. Le prove di laboratorio sono state eseguite sottoponendo i due modelli all’azione di onde regolari al variare delle caratteristiche idrodinamiche dell’onda ed al variare delle caratteristiche geometriche dei cassoni. L’analisi dei risultati è stata effettuata interpretando le misure di oscillazioni del pelo libero, di pressione e velocità ottenute per mezzo di un’ampia strumentazione composta da sonde di livello, sonde di pressione, tubi di pitot e videocamera. Attraverso l’approccio numerico sono stati realizzati due domini computazionali 2D, mediante il software di CFD OpenFOAM, i quali costituiscono una perfetta rappresentazione dei due modelli fisici in scala. I modelli numerici, validati e calibrati per mezzo dei dati sperimentali, sono stati utilizzati per effettuare test al variare delle caratteristiche idrodinamiche e geometriche dei cassoni estendendo gli intervalli sperimentali delle grandezze di riferimento. Lo studio numerico-sperimentale è stato rivolto principalmente all’analisi della riflessione, delle forze d’onda agenti sul cassone e dell’efficienza energetica, quest’ultima relativamente allo studio del dispositivo U-OWC. I risultati ottenuti hanno consentito di valutare le prestazioni idrauliche di entrambi i cassoni in esame, inoltre, per il cassone U-OWC, di ottimizzare la produzione di energia. Infine, sono state proposte formulazioni empiriche per il calcolo del coefficiente di riflessione, delle forze agenti sulle pareti verticali dei cassoni e sull’efficienza energetica per quel che concerne il dispositivo U-OWC.