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

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

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 respuesta morfológica 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). Noviembre 2007 Mayo 98 ¿¡!?

Antecedentes… (2) q(t) = f (u). tiempo(s) h(m) Antecedentes… (2) 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

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

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.

Experimentos de laboratorio 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

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

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM Test No. H(m) T (s) 1 0.12 0.7047 2 0.14 0.6525 3 0.16 0.6103 4 0.17 0.5921 5 1.2 0.7540 6 0.7053 7 0.6650 8 0.10 1.5 1.0440 9 0.15 0.8524 10 0.18 0.7781 11 1.2463 12 1.0176 13 0.9289 Rotura intensa Pedrozo-Acuña et al. (2008)

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM Variación espacial del campo de presión

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM Variación espacial del gradiente de presión y du/dt Zona de someramiento Zona de rotura Zona de vaivén

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM Desarrollo de una técnica de velocimetría no intrusiva (BIV)

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM

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

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

Experimentos de laboratorio Canal de Oleaje IIUNAM t0+dt dz dx V=d/t

Modelación numérica Ecuaciones 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. (a) (c) (d) (b)

Modelación numérica Estudios diagnósticos Caracterización del gradiente de presión

Resultados Modelo RANS vs Mediciones BIV Comparación de Velocidad horizontal (u) durante el ascenso de la ola. Cuadros superiores – Mediciones BIV y cuadros inferiores – modelo RANS. Comparación de Velocidad vertical (w) durante el ascenso de la ola. Cuadros superiores – Mediciones BIV y cuadros inferiores – modelo RANS.

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

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.

Productos terminados Artículos en revistas internacionales: Estimation of instantaneous velocity field in the surf and swash zones. Experiments in Fluids (en revisión) Springer. Laboratory investigation of pressure gradients induced by plunging breakers. Coastal Engineering (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

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