The research theme developed in this work concerns the study of the effects that arise within the flow field, when both the flow field and the bed roughness vary. The interaction between waves and currents influences in a relevant way coastal hydrodynamics, modifying both the boundary layer at the bottom and the external flow field. The complexity of the phenomenona forces the classification of such interaction as a function of the angle of attack between the forcings: collinear, orthogonal and with nonzero angle. Such interaction affects in a relevant manner also the dynamics of sediment transport as the bed roughness varies. For these reasons, aim of this study was to analyse the interaction of waves and currents, in the presence of sea beds with different roughness, in the two-limiting case (collinear and orthogonal). The present work concerned the performances of two experimental campaigns carried out at the Shallow Water Tank of DHI (Hørsholm, Denmark) and the Laboratory of Hydraulics and Hydraulic Constructions of the University of Messina, respectively for the study of the orthogonal and collinear interaction of waves and currents. For both campaigns, three different types of seabed were realized (sand, gravel and rippled), and velocity and the free surface data were measured with acoustic velocimeters and level probes. The analyses carried out on the experimental data focused on the mean velocity profiles and shear stress for all the three types of bed; in the presence of ripples, a further analysis was carried out concerning the evolution of recirculation cells and the vorticity. More specifically, for orthogonal waves and currents case, observation of the velocity profiles showed that the ratio between the wave and current velocity and the bed roughness plays a key role for apparent roughness and friction velocity. Indeed, it was found that, in current-dominated regime, the superposition of the wave on the current increases the flow resistance. Regardless of bed roughness, in a wave-dominated regime, the superposition of waves and current and the current only case are pretty similar. In the presence of collinear waves and currents, in wave-dominated regime, the mean velocity in the current only case always shows higher values than those of waves and currents case for all three types of seabed. Steady recirculation cells can be identified both in wave only and in wave plus current conditions, in a way more or less evident as a function of the hydrodynamic parameters. These cells were found to flatten when the current superimpose to the wave. It has been found that the superposition of the current reduces the undertow in the case of waves only and leads to an increase in vorticity outside the boundary layer. On the contrary, inside the boundary layer, the vorticity reduces due to the current effect.

Il tema di ricerca sviluppato nel presente lavoro, riguarda lo studio degli effetti che nascono all’interno del campo di moto al variare sia delle condizioni di moto sia delle diverse tipologie di fondali marini. L’interazione tra onde e correnti influenza in modo rilevante l’idrodinamica costiera, modificandone sia lo strato limite al fondo che il campo di moto esterno. La complessità del fenomeno obbliga la classificazione di tale interazione in funzione dell’angolo d’attacco tra le forzanti: collineari, ortogonali e con angolo variabile. Tale interazione incide in maniera rilevante anche sulle dinamiche del trasporto solido al variare della scabrezza al fondo. Per tali motivi, obiettivo di tale studio è stato quello di analizzare l’interazione di onde e correnti nei due casi limite (collinare e ortogonale) in presenza di fondali marini aventi differenti scabrezze. Il presente lavoro ha visto la realizzazione di due campagne sperimentali effettuate presso la Shallow Water Tank del DHI (Hørsholm, Danimarca) e il Laboratorio di Idraulica e Costruzioni Idrauliche dell’Università di Messina, rispettivamente per lo studio dell’interazione tra onde e correnti ortogonali e collineari. Per entrambe le campagne sono state realizzate tre diverse tipologie di fondale (sabbia, ghiaia e ripples), in corrispondenza dei quali sono stati estrapolati, con l’ausilio di velocimetri acustici e sonde di livello, dati di velocità e dati inerenti la superficie libera. Le analisi effettuate sui dati sperimentali si sono focalizzate sui profili di velocità media e sugli sforzi tangenziali al fondo per tutte e tre le tipologie di scabrezza; in presenza di ripples è stato effettuato un ulteriore studio riguardante l’evoluzione delle celle di ricircolo e della vorticità. Più specificamente, per il caso di onde e correnti ortogonali, i profili di velocità mostrano che il rapporto tra la velocità dell’onda e della corrente e la scabrezza del fondo giocano un ruolo chiave ai fini della determinazione della scabrezza apparente e della velocità d’attrito. Infatti si è riscontrato, in regime dominato dalla corrente, che la sovrapposizione dell’onda sulla corrente aumenta la resistenza del flusso. Indipendentemente dal tipo di scabrezza del fondo, in regime dominato dall’onda invece, il caso di onde e corrente e il caso di sola corrente non mostrano particolari differenze. In presenza di onde e correnti collineari, in regime dominato dalle onde la velocità media misurata in presenza di sola corrente assume sempre valori superiori rispetto al caso di onde e corrente indipendentemente dalle tipologie di fondali. L’analisi delle componenti stazionarie mostra che sono individuabili celle di ricircolo sia in condizioni di sola onda che in condizioni di onda più corrente, in modo più o meno evidente in funzione dei parametri idrodinamici. È risultato che tali celle si appiattiscono quando la corrente si sovrappone all'onda. Si è riscontrato che la sovrapposizione della corrente riduce la corrente di ritorno o undertow presente nel caso di sole onde e porta ad un aumento della vorticità al di fuori dello strato limite. Invece, all'interno dello strato limite, la vorticità si riduce per effetto della corrente.

Effetti della scabrezza di fondali marini su campi di moto generati da onde e correnti

RUGGERI, Alessia
2021

Abstract

Il tema di ricerca sviluppato nel presente lavoro, riguarda lo studio degli effetti che nascono all’interno del campo di moto al variare sia delle condizioni di moto sia delle diverse tipologie di fondali marini. L’interazione tra onde e correnti influenza in modo rilevante l’idrodinamica costiera, modificandone sia lo strato limite al fondo che il campo di moto esterno. La complessità del fenomeno obbliga la classificazione di tale interazione in funzione dell’angolo d’attacco tra le forzanti: collineari, ortogonali e con angolo variabile. Tale interazione incide in maniera rilevante anche sulle dinamiche del trasporto solido al variare della scabrezza al fondo. Per tali motivi, obiettivo di tale studio è stato quello di analizzare l’interazione di onde e correnti nei due casi limite (collinare e ortogonale) in presenza di fondali marini aventi differenti scabrezze. Il presente lavoro ha visto la realizzazione di due campagne sperimentali effettuate presso la Shallow Water Tank del DHI (Hørsholm, Danimarca) e il Laboratorio di Idraulica e Costruzioni Idrauliche dell’Università di Messina, rispettivamente per lo studio dell’interazione tra onde e correnti ortogonali e collineari. Per entrambe le campagne sono state realizzate tre diverse tipologie di fondale (sabbia, ghiaia e ripples), in corrispondenza dei quali sono stati estrapolati, con l’ausilio di velocimetri acustici e sonde di livello, dati di velocità e dati inerenti la superficie libera. Le analisi effettuate sui dati sperimentali si sono focalizzate sui profili di velocità media e sugli sforzi tangenziali al fondo per tutte e tre le tipologie di scabrezza; in presenza di ripples è stato effettuato un ulteriore studio riguardante l’evoluzione delle celle di ricircolo e della vorticità. Più specificamente, per il caso di onde e correnti ortogonali, i profili di velocità mostrano che il rapporto tra la velocità dell’onda e della corrente e la scabrezza del fondo giocano un ruolo chiave ai fini della determinazione della scabrezza apparente e della velocità d’attrito. Infatti si è riscontrato, in regime dominato dalla corrente, che la sovrapposizione dell’onda sulla corrente aumenta la resistenza del flusso. Indipendentemente dal tipo di scabrezza del fondo, in regime dominato dall’onda invece, il caso di onde e corrente e il caso di sola corrente non mostrano particolari differenze. In presenza di onde e correnti collineari, in regime dominato dalle onde la velocità media misurata in presenza di sola corrente assume sempre valori superiori rispetto al caso di onde e corrente indipendentemente dalle tipologie di fondali. L’analisi delle componenti stazionarie mostra che sono individuabili celle di ricircolo sia in condizioni di sola onda che in condizioni di onda più corrente, in modo più o meno evidente in funzione dei parametri idrodinamici. È risultato che tali celle si appiattiscono quando la corrente si sovrappone all'onda. Si è riscontrato che la sovrapposizione della corrente riduce la corrente di ritorno o undertow presente nel caso di sole onde e porta ad un aumento della vorticità al di fuori dello strato limite. Invece, all'interno dello strato limite, la vorticità si riduce per effetto della corrente.
The research theme developed in this work concerns the study of the effects that arise within the flow field, when both the flow field and the bed roughness vary. The interaction between waves and currents influences in a relevant way coastal hydrodynamics, modifying both the boundary layer at the bottom and the external flow field. The complexity of the phenomenona forces the classification of such interaction as a function of the angle of attack between the forcings: collinear, orthogonal and with nonzero angle. Such interaction affects in a relevant manner also the dynamics of sediment transport as the bed roughness varies. For these reasons, aim of this study was to analyse the interaction of waves and currents, in the presence of sea beds with different roughness, in the two-limiting case (collinear and orthogonal). The present work concerned the performances of two experimental campaigns carried out at the Shallow Water Tank of DHI (Hørsholm, Denmark) and the Laboratory of Hydraulics and Hydraulic Constructions of the University of Messina, respectively for the study of the orthogonal and collinear interaction of waves and currents. For both campaigns, three different types of seabed were realized (sand, gravel and rippled), and velocity and the free surface data were measured with acoustic velocimeters and level probes. The analyses carried out on the experimental data focused on the mean velocity profiles and shear stress for all the three types of bed; in the presence of ripples, a further analysis was carried out concerning the evolution of recirculation cells and the vorticity. More specifically, for orthogonal waves and currents case, observation of the velocity profiles showed that the ratio between the wave and current velocity and the bed roughness plays a key role for apparent roughness and friction velocity. Indeed, it was found that, in current-dominated regime, the superposition of the wave on the current increases the flow resistance. Regardless of bed roughness, in a wave-dominated regime, the superposition of waves and current and the current only case are pretty similar. In the presence of collinear waves and currents, in wave-dominated regime, the mean velocity in the current only case always shows higher values than those of waves and currents case for all three types of seabed. Steady recirculation cells can be identified both in wave only and in wave plus current conditions, in a way more or less evident as a function of the hydrodynamic parameters. These cells were found to flatten when the current superimpose to the wave. It has been found that the superposition of the current reduces the undertow in the case of waves only and leads to an increase in vorticity outside the boundary layer. On the contrary, inside the boundary layer, the vorticity reduces due to the current effect.
interazioni onde e correnti; scabrezza del fondale; sforzi tangenziali; ripples; vorticità
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