Efectos de la rotura del oleaje sobre el transporte de sedimentos y la morfología de playas

1. Efectos de la rotura del oleaje sobre el transporte de sedimentos y la morfología de playas Adrián Pedrozo Acuña Coordinación de Hidráulica Reunión Informativa Anual 2011

2. Organización de la presentación • Antecedentes • Objetivos del estudio • Metodología • Experimentos de laboratorio • Modelación numérica • Resultados • Conclusiones

3. Antecedentes • La predicción de la cinemática del oleaje en la costa es de suma importancia para determinar zonas vulnerables ante inundación y erosión. • La hidrodinámica en la zona de rompientes determina la respuestamorfológica de una playa. ¿Cómo es el campo de velocidades? • No conocemos el campo de velocidades en la zona de rompientes;limitaciones en la instrumentación actual (acústica y óptica). Mayo 98 Noviembre 2007 ¿¡!?

4. Antecedentes… (2) tiempo(s) h(m) El transporte de sedimentos ha sido abordado desde una perspectiva empírica. Sin embargo… en condiciones de rotura q(t) = f (u). • Flujo oscilatorio • Turbulencia • Tipo de rotura (intensa) • Gradiente de presión

5. Antecedentes… (3) Puleo et. al. (2007) Pedrozo-Acuña et. al. (2010) Hoefel y Elgar (2003) Madsen(1976, 1991)

6. Objetivos • Identificar y entender los procesos críticos (p.ej. gradiente de presión) ignorados en los modelos de transporte litoral, a fin de desarrollar ecuaciones que los incluyan. • Realizar una investigación integral (experimental y numérica) sobre el balance de los procesos físicos asociados a la rotura intensa del oleaje. • Caracterizar los efectos de los procesos involucrados (ej. velocidades, aceleraciones, gradientes de presión) sobre el transporte de sedimentos y la morfología de playas. • Presentar ante la comunidad científica internacional, un novedoso conjunto de resultados que describan los procesos clave que deben ser incluidos en futuras parametrizaciones de la rotura del oleaje y el transporte de sedimentos.

7. Metodología A fin de caracterizar al sistema se plantearon dos vías complementarias: • Experimentos de laboratorio • Rampa impermeable • Sensores de nivel. • Velocidades (ADV). • Desarrollo de una técnica de medición no intrusiva. • Presiones en el fondo • Modelo numérico • Resuelve las ecuaciones RANS. • Reproducir condiciones medidas. • Validación del modelo. • Uso diagnóstico del mismo

8. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM • Instrumentación • Rampa impermeable. • Sensores de nivel (8). • Velocímetro acústico. • Sensores de presión (10).

9. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM Rotura intensa Pedrozo-Acuña et al. (2008)

10. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM • Variación espacial del campo de presión

11. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM • Variación espacial del gradiente de presión y du/dt Zona de someramiento Zona de vaivén Zona de rotura

12. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM • Desarrollo de una técnica de velocimetría no intrusiva (BIV)

13. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM

14. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM Paso 1- Fotografías a alta velocidad Fotogramas a alta velocidad (1008 fotos por segundo) – Fastec (HiSpec) Instantes mostrados cada 200 fotos

15. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM Paso 2 – Procesamiento de la imagen • Inversión de color de las fotos. Identificación de las formas y texturas de las burbujas.

16. Experimentos de laboratorioCanal de Oleaje IIUNAM t0 t0+dt dz • V=d/t dx

19. Modelación numéricaEcuaciones de Navier Stokes con promedio de Reynolds (RANS) Originalmente desarrollado por la NASA. Adaptado para el estudio de oleaje en rotura sobre estructuras (e.g.Lin & Liu, 98). Pueden ser utilizados como herramienta diagnóstica para identificar procesos clave en el transporte de sedimentos. (b) (c) (a) (d)

21. Modelación numéricaEstudios diagnósticos Caracterización del gradiente de presión

22. ResultadosModelo RANS vs Mediciones BIV Comparación de Velocidad vertical (w) durante el ascenso de la ola. Cuadrossuperiores – Mediciones BIV y cuadrosinferiores– modelo RANS. Comparación de Velocidad horizontal (u) durante el ascenso de la ola. Cuadrossuperiores – Mediciones BIV y cuadrosinferiores– modelo RANS.

23. Modelación numéricaComparación de resultados Vectrinos Zona de lavado Zona de rotura 2cm 2cm Velocidades obtenidas por BIV Velocidades obtenidas por el ADV. Velocidades obtenidas por el modelo RANS.

24. Conclusiones A partir de los resultados procesados en este estudio (en curso), se rescatan las siguientes conclusiones: • Se caracterizó la naturaleza espacial del gradiente de presión a lo largo de la zona de cercanías de la costa (rompientes y vaivén). • Existe consistencia en las mediciones realizadas con un el valor de Pmax asociado al impacto del oleaje en rotura sobre la playa. • El gradiente de presión es máximo en el punto de impacto, mientras que presenta valores mínimos en la zona de vaivén. • Se investigó la relación entre la aceleración local y el gradiente de presión indicando que en la zona de lavado es necesario considerar los términos de advección. • Se caracterizó la variación espacio-temporal del campo de velocidades en condiciones de rotura intensa.

25. Productos terminados • Artículos en revistas internacionales: • Estimation of instantaneousvelocityfield in the surf and swashzones. Experiments in Fluids (en revisión) Springer. • Laboratory investigation of pressure gradients induced by plunging breakers. CoastalEngineering (en revisión) ELSEVIER. • Sobre el uso de las ecuaciones de Navier-Stokes en el campo de la ingeniería de costas, Revista Tecnología y Ciencias del Agua, IMTA (aceptado). • Tesis de licenciatura de la FI-UNAM • 1 Artículos en el Congreso Internacional de Ingeniería Costera 2010 • 2 Artículos en el Congreso Nacional de Hidráulica 2010 • 2 Artículos en el Congreso Latinoamericano de Hidráulica 2010

26. Agradecimientos Financiamiento PAPIIT IN106610 y A2 Laboratorio de Oleaje del IIUNAM • Dr. Rodolfo Silva Casarín • Dr. Edgar Mendoza Baldwin Colaboradores IIUNAM • Dr. Alec Torres Freyermuth Equipo de becarios • César Gutiérrez Valencia • Ariadna Cruz Quiroz • Xavier Chávez Cárdenas • Germán Rivillas Ospina • Miguel A. Laverde Barajas • Jorge G. González Armenta • Juan Pablo Rodríguez Rincón