MEJORA DEL COMPORTAMIENTO DE UN MODELO HIDRODINAMICO AJUSTANDO EL PERFIL DE FRACCION DE OLEAJE ROMPIENTE

MORIS BARRA, JOAQUÍN PABLO (2016)

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Tesis Pregrado

Uno de los principales forzantes en la hidrodinámica costera es el rompimiento del oleaje, el cual controla la generación de corrientes y por consiguiente la evolución de las playas y la seguridad de bañistas. Es por ello que su representación es de gran interés en la comunidad científica y la sociedad en general. Para ello, se emplean modelos de propagación que son capaces de transformar el oleaje que se dirige hacia la costa. En los últimos años, para propagar oleaje en aguas someras se han utilizado los modelos tipo Boussinesq, los cuales poseen una alta capacidad de representar la no-linealidad del oleaje, característica fundamental de las olas que se encuentran próximas a romper. Los modelos de propagación de oleaje del tipo Boussinesq están basados en ecuaciones de balance de masa y de momento, cuya formulación original no contiene términos asociados a la disipación de energía. Es por ello que es necesario acoplar este tipo de modelos a una ley de rompimiento del oleaje que permita disipar la energía liberada por las olas en rotura. Dado que no hay una ley universal para la rotura, es necesario calibrar ciertos parámetros de estos modelos a partir de datos experimentales. La calibración de un modelo de propagación tipo Boussinesq -y de los modelos hidrodinámicos en general se realiza tradicionalmente mediante mediciones del nivel instantáneo de la superficie libre. A partir de estas mediciones se construyen curvas de set-up y de altura cuadrática media (Hrms). Estas mediciones se contrastan con los resultados del modelo y se realiza un ajuste, el cual permite obtener un set de parámetros óptimos para cada modelo. Este trabajo introduce el uso de mediciones realizadas con cámaras de video para calibrar, de manera conjunta registros mediante sondas resistivas, un modelo hidrodinámico tipo Boussinesq. Las sondas resistivas permiten obtener el nivel instantáneo de la superficie libre y las cámaras de video permiten detectar la ubicación temporal-espacial de la rotura del oleaje a partir de la detección de un cambio abrupto de intensidad en los pixeles debido a la espuma asociada al rompimiento. Por otra parte, un modelo hidrodinámico costero debe ser capaz no solo de representar los perfiles basados en mediciones de la superficie del mar, sino también la ubicación temporal-espacial del rompimiento del oleaje. A partir de lo señalado, en este trabajo se detectó que el uso de una calibración tradicional no necesariamente tiene la capacidad de representar de manera simultánea los perfiles de oleaje y la ubicación del rompimiento de las olas. Sin embargo, al emplear en la calibración el uso en conjunto de datos de video y de sondas resistivas es posible obtener una mejor representación de la Hidrodinámica en la costa, ajustando simultáneamente los perfiles de oleaje y la ubicación temporal-espacial de la rotura. Debido a la importancia de caracterizar la hidrodinámica en la zona costera de manera global, se propone en este trabajo una nueva metodología de calibración que involucra como elemento de ajuste adicional la posición del rompimiento. Los resultados indican que es posible utilizar de manera conjunta los parámetros tradicionales y este nuevo indicador, y que el uso conjunto se traduce en una mejor predicción de la hidrodinámica general del oleaje. Sin embargo, el logro de un buen ajuste supone un desafío para los modelos existentes, que requieren de ajustes con respecto a su formulación original. De esta manera, esta propuesta de calibración permite avanzar en la comprensión del fenómeno y supone una oportunidad de mejora de los modelos existentes.

One of the main forcings in coastal hydrodynamics is wave breaking, which controls the current generation and therefore beach evolution and the safety of bathers. That is why its representation is of great interest in the scientific community and society in general. To achieve this, wave models have been used to simulate the wave characteristics propagating towards the shore. In recent years, Boussinesq-type models have been used to simulate waves in the shallow water region due to their high capacity in representing the nonlinearity of waves, fundamental characteristic of waves that are close to the shore break. Boussinesq-type equations are based on the mass and momentum equations, which in their original formulation do not contain terms associated with energy dissipation. Therefore, it is necessary to couple these propagating models with a breaking law that considers the dissipation of wave energy released by breaking waves. Since there is no universal law for wave breaking, it is necessary to calibrate certain parameters of these models from experimental data. The calibration of a Boussinesq-type model –and hydrodynamic models in general– is traditionally done measuring the instantaneous level of the free water surface. From these measurements, it is possible to obtain set-up and root mean square wave height (Hrms) profiles. This allows an adjustment of the outputs of a hydrodynamic model leading to an optimal set of parameters for each model. This work introduces the use of measurements registered with video cameras to calibrate a Boussinesqtype model in conjunction with wave gage records. Wave gages allow to get the instantaneous level of the free water surface and cameras can detect the time-spatial location of breaking waves from the detection of an abrupt change in pixel intensity, because pixel intensity is associated with the wave breaking foam. Moreover, a coastal hydrodynamic model must be able not only to represent the profiles based on measurements of the sea surface, but also to represent the wave breaking location. In this work it was found that using a traditional calibration does not necessarily represent simultaneously water level profiles and wave breaking location. However, when both video data and waves gages are used in the calibration, it is possible to obtain a better representation of the hydrodynamics on the coast. This is done by simultaneously adjusting wave height profiles and the wave breaking time-space location. Because of the importance of characterizing the hydrodynamics in the surf zone, a new calibration methodology is proposed, adjusting as an additional element, the wave breaking time-space position. The results indicate that it is possible to use both the traditional approach and the new indicator to obtain a better prediction of general wave hydrodynamics. However, achieving a good fit is a challenge to existing models, which might require adjustments in their original formulation. Thus, this proposal provides progress in understanding the phenomenon and provides an opportunity to improve existing models.