EXPERIMENTOS EN LABORATORIO Y MODELADO NUMÉRICO DE CORRIENTES DE RETORNO

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1 EXPERIMENTOS EN LABORATORIO Y MODELADO NUMÉRICO DE CORRIENTES DE RETORNO R. Garnier1, M. González1, R. Medina1, A. Álvarez1, J. Lara1, P. Higuera1, P. Lomónaco1,2, Z. Wei3, R. Dalrymple3, G. Coco1,4 1. Instituto de Hidráulica Ambiental IH Cantabria, Universidad de Cantabria, PCTCAN, C/ Isabel Torres 15, Santander, España 2. O.H Hinsdale Wave Research Laboratory, Oregon State University, 3550 SW Jefferson Way, Corvallis, OR 97331, EEUU. 3. Department of Civil Engineering, Johns Hopkins University, 3400 No. Charles Street, Baltimore, MD 21218, EEUU 4. The University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland 1142, Nueva Zelanda. Resumen El objetivo principal del proyecto ANIMO (Ref: BIA ) es el de realizar una valoración cuantitativa de (a) el equilibrio entre los procesos hidrodinámicos y morfodinámicos en el frente de la playa (problemas de erosión de playas, corrientes de retorno), (b) las desviaciones en las amplitudes del runup provenientes de formulaciones ingenieriles (crítico para el desarrollo del Dominio Público Marítimo Terrestre y la predicción de inundación costera), mediante modelado físico y numérico. Con el fin de alcanzar este objetivo es necesario mejorar las técnicas de predicción de los procesos hidrodinámicos en la zona de ascenso-descenso (swash) y en la zona de rompientes (surf). En particular se estudió por una parte la generación de corrientes de retorno (Garnier et al., 2014) y por otra parte el desarrollo hidrodinámico de los movimientos de ondas de borde que son un tipo de onda atrapada cercana a la línea de costa (Coco et al., 2014). El gran tanque (Cantabria Coastal and Ocean Basin, CCOB) nos permitió reproducir los procesos a escala y en condiciones cercanas a la naturaleza con lo que se subsanan las limitaciones de los estudios anteriores. Los ensayos de laboratorio se utilizaron para rebatir/validar y mejorar los modelos numéricos de hidrodinámica de última generación. La presente contribución describe los experimentos de corrientes de retorno. Enseña ejemplos de resultados de los numerosos instrumentos desplegados, del sistema de video monitorización e de los modelos numéricos empleados en el proyecto. 1. Introducción El objetivo principal del proyecto ANIMO (Ref: BIA ) es el de realizar una valoración cuantitativa de (a) el equilibrio entre los procesos hidrodinámicos y morfodinámicos que son responsables de una manera directa de los patrones de dispersión del sedimento en el frente de la playa (crítico en cualquier estudio de erosión costera o de ingeniería de costas en general) y de corrientes de retorno (peligrosos para los bañistas), (b) desviaciones en las amplitudes del runup provenientes de formulaciones ingenieriles (crítico para el desarrollo del Dominio Público Marítimo Terrestre y la predicción de inundación costera), mediante modelado físico y numérico. Con el fin de alcanzar este objetivo necesitamos mejorar las técnicas de predicción de los procesos hidrodinámicos en la zona de ascenso-descenso (swash) y en la zona de rompientes (surf). En particular se estudió por una parte la generación de corrientes de retorno (Garnier et al., 2014) y por otra parte el desarrollo hidrodinámico de los movimientos de ondas de borde que son un tipo de onda atrapada cercana a la línea de costa (Coco et al., 2014).

2 Fig 1. Ejemplo de un ensayo de corrientes de retorno realizado en el Gran Tanque de Cantabria (Cantabria Coastal and Ocean Basin, CCOB). El Gran Tanque (Cantabria Coastal and Ocean Basin, CCOB) nos ha permitido reproducir los procesos a escala y en condiciones cercanas a la naturaleza con lo que se subsanan las limitaciones de los estudios anteriores. Los ensayos de laboratorio se utilizaron para rebatir/validar y mejorar los modelos numéricos de hidrodinámica de última generación. El objeto de la presente contribución se centra en los experimentos de corrientes de retorno (Fig 1). Las corrientes de retorno ("rip currents") son corrientes intensos (su intensidad supera 1m/s en condición de oleaje mediana), dirigidos hacia mar adentro, que se observan en la zona de rompientes de las playas. El estudio de las corrientes de retorno tiene varios intereses en temas de seguridad de playa (peligrosos para el bañista), de transporte de contaminante, o bien de erosión costera (afectan la morfología de las playas). Dalrymple et al., 2010 identifica 7 tipos de corrientes de retorno, algunos tipos observados en playas naturales abiertas, otros en playas encajadas (artificiales, o no), generalmente asociados a estructuras batimétricas o topográficas (bancos de arena, escolleras, cabos ), pero, más recientemente, se han detectado sistemas de corrientes de retornos sin relación con la batimetría (dichos sistemas se refieren generalmente cómo corrientes de retorno transitorios). El objetivo de la presente contribución es investigar los mecanismos de generación y la dinámica de corrientes de retornos generados con forzamiento hidrodinámico. Precisamente, se parte de la hipótesis de Dalrymple (1975) mostrando que las corrientes de retornos pueden formarse con la intersección de trenes de olas y se extienden los ensayos de laboratorio de Fowler y Dalrimple (1991) aprovechando de las instalaciones del CCOB. La sección siguiente se dedica a la descripción del dispositivo experimental y de los ensayos realizados. Luego, se presentan resultados de los instrumentos y del sistema de imagen videos. Posteriormente, se muestran resultados de los modelos numéricos. Finalmente se presentan las conclusiones preliminares y los trabajos futuros. 2. Experimentos El Gran Tanque (CCOB) mide 25m en la dirección transversal y 32m en la dirección longitudinal y dispone de un generador de oleaje multidireccional con 64 palas independientes. Para los experimentos, se construyó una playa de hormigón de pendiente 1:5 en el lado opuesto al generador y se colocaron muros reflejantes amovibles en los lados laterales (ver Fig 2). La profundidad de agua máxima durante los ensayos fue de 1m. La instrumentación

3 consiste en 33 sensores de oleaje localizados en 2 secciones longitudinales y 2 secciones transversales, 7 velocímetros acústicos Doppler (ADV) y 15 sensores de runup. Además, cada pala del generador de oleaje dispone de un sensor de oleaje permitiendo la caracterización del oleaje incidente. Finalmente, se sincronizaron 2 cámaras de videos con el sistema de adquisición de datos (ver Fig 3). Fig 2. Construcción de la playa e instrumentación Fig 3. Dispositivo experimental Los experimentos de corrientes de retorno cuentan 35 ensayos cambiando las condiciones de oleaje y estudiando distintos mecanismos de generación (intersección de trenes de olas, gradientes longitudinales en las olas incidentes). Los experimentos más estudiados consistieron en generar un sistema de 3 corrientes de retorno, obtenido a partir de la intersección de dos frentes de olas llegando con ángulos de incidencia opuestos (θ=θ1=-θ2), con la misma longitud de onda (L0=L1=L2), y con la misma altura (H1=H2=Hmax/2). Dalrymple (1975) muestra que, en este caso, la longitud de onda del sistema de corrientes de retorno (λ, distancia longitudinal entre dos corrientes) verifica la relación (ver Fig 4): λλ = LL_0/(2 sin θθ).

4 Fig 4. Señal teórico mandado al generador. Perfil longitudinal de la superficie libre cerca del generador. Las líneas finas representan la superficie libre para distintos tiempos. La línea gruesa representa la envolvente. Los oleajes mandados tienen cómo característica: T1=T2=2s, H1=H2=0.2m, θ1=-θ2=14deg. Sistema de 3 corrientes localizados a las posiciones longitudinales y=5m, y=16m, y=27m. 3. Resultados de los instrumentos Fig 5 representa la serie temporal de la superficie libre medida en los sensores localizados en cada una de las palas del generador de oleaje para el ensayo presentado en Fig 4 (T1=T2=2s, H1=H2=0.2m, θ1=-θ2=14deg.). Los nodos localizados en las posiciones longitudinales y=5m, y=16m, y=27m coinciden con la posición de las corrientes de retorno. Fig 5. Superficie libre medida en el generador de oleaje para el ensayo presentado en Fig 4 (Hmax=0.4m). Serie temporal de los 30 primeros segundos del ensayo. El eje y representa el eje longitudinal del tanque. Los colores representan la superficie libre. Fig 6 muestra los resultados de 3 ensayos, variando la altura de ola (H1=H2=0.2m, H1=H2=0.3m, H1=H2=0.4m). Los resultados indican que los mínimos observados en la altura de ola (a y=5m, y=16m, y=27m), resultando de la intersección de los trenes de onda, coinciden con mínimos en el setup (sobre elevación de nivel) en la playa. Es de notar que un oleaje más energético provoca un setup máximo (i.e. setup en los antinodos, a y=11m e a y=21m) mayor. No obstante, el setup mínimo (i.e. setup en los nodos) es también mayor, resultando en gradientes longitudinales de setup en la playa menores para oleaje más energéticos. Dado que se observan corrientes de retornos más intensos para oleaje más energético (confirmado ambos con los resultados de los instrumentos, no enseñados, y con los resultados de imágenes de video, ver sección siguiente), los resultados presentados no permiten relacionar la velocidad de la corriente con los gradientes longitudinales de presión del agua.

5 Fig 6. Altura de ola del oleaje incidente (arriba) y sobre elevación de nivel (setup) en la playa (abajo) medidas en los sensores de oleaje del generador y en los sensores de runup, respectivamente. El eje y es el eje longitudinal del tanque. Se consideran 3 condiciones de oleaje distintas: Hmax=0.4m (rojo), Hmax=0.3m (verde) y Hmax=0.2m (azul), con un periodo de 2s. 4. Video monitorización Un sistema de video monitorización compuesto de dos cámaras cubriendo toda la superficie de playa, la zona de rompientes y la mayoría de la superficie del tanque se ha sincronizado con los otros instrumentos y el generador de ola. Las imágenes permiten (1) seguir la evolución instantánea de la línea de swash e contrastar los resultados y el método de detección con los resultados de los sensores de runup (2) captar la dinámica de las corrientes de retorno con técnicas de análisis de imágenes (3) seguir la evolución de trazadores lanzados en cada ensayos de corrientes de retorno. Fig 7 muestra un ejemplo de trayectos de trazadores para 3 condiciones de oleaje distintas para sistemas de 3 corrientes de retorno. La localización longitudinal de las corrientes corresponden con los nodos de la superficie libre (Fig 5). La Fig 7 corresponde a la cámara 2 y muestra las corrientes localizadas en el centro del tanque (y=16m) y en el lado derecho (y=5m). Fig 7. Ejemplo de trayectos de trazadores para los ensayos presentados en Fig 6, superpuestos en una imagen de la cámara 2. Se muestran 3 condiciones de oleaje distintas: Hmax=0.4m (rojo), Hmax=0.3m (verde) y Hmax=0.2m (azul), con un periodo de 2s.

6 5. Modelización numérica Los ensayos de laboratorio se utilizan para rebatir, validar y mejorar distintos tipos de modelos numéricos de hidrodinámica de última generación, cada uno resolviendo la propagación instantánea de las olas. Los modelos empleados son: (1) SWASH (Zijlema et al., 2012), modelo basado en las ecuaciones de aguas someras no lineales incluyendo un término de presión no hidrostática. (2) GPUSPH (Farahani et al., 2014), modelo de partículas lagrangiano tridimensional tipo SPH "Smoothed Particle Hydrodynamics" de nueva generación (GPU, utiliza tarjetas gráficas para reducir el tiempo de ejecución). (3) OpenFOAM (Higuera et al., 2013), modelo tridimensional basado en las ecuaciones RANS adaptado para aplicaciones en ingeniera costera. Se muestran ejemplos de resultados del modelo SWASH (Fig 8) y del modelo GPUSPH (Fig 9) ilustrando la capacidad de estos modelos para simular los ensayos de laboratorio realizados en el CCOB. El modelo OpenFoam ha sido empleado para otros experimentos de corrientes de retorno (Fig 10) y será aplicado a los presentes ensayos. Fig 8. Aplicación del modelo SWASH: vorticidad al principio y en el medio de un ensayo de corrientes de retorno (sistema de 3 corrientes). Fig 9. Aplicación del modelo GPUSPH. Izquierda: superficie libre. Derecha: perfiles longitudinales de alturas de olas a x=0 (en el generador), x=3.1m, x=17.6m. Comparación modelo e instrumentos.

7 Fig 10. Ejemplo de aplicación del modelo OpenFOAM para simular corrientes de retorno (configuración distinta al presente experimento). Figura extracta de Higuera et al., 2014 de una simulación de corrientes de retorno en un sistema de barra (figura de arriba) y surco (figura de abajo). 6. Conclusiones y trabajo futuro La presente contribución presenta los ensayos de corrientes de retorno realizados en el Gran Tanque (Cantabria Coastal and Ocean Basin, CCOB). Dichas corrientes de generaron a partir de la intersección de dos trenes de olas según la teoría de Dalrymple (1975). Los ensayos se realizaron en el marco del proyecto ANIMO (Ref: BIA ) dividido en dos partes (1) corrientes de retorno (Garnier et al., 2014), y (2) el desarrollo de ondas de borde (Coco et al., 2014). Se han mostrado diferentes resultados de los datos medidos por los numerosos instrumentos desplegados durante los ensayos (sensores de oleaje, sensores de runup, velocímetros) así qué resultados del sistema de video monitorización sincronizado con el sistema de adquisición de datos. Los resultados preliminares de los modelos numéricos (SWASH, Zijlema et al. (2012), y GPUSPH, Farahani et al., 2014) coindicen con los datos medidos y los desarrollos recientes del modelo OpenFOAM por Higuera et al., 2013 sugieren que dicho modelo se puede aplicar a los ensayos del CCOB. Los resultados esperados de los diferentes modelos numéricos empleados permitirán mejorar el entendimiento de los procesos de generación de las corrientes de retorno y sus dinámicas. Los primeros resultados han mostrado que los datos de los instrumentos y los resultados de la video monitorización son de gran utilidad para calibrar, validar y comparar los modelos numéricos descritos previamente. Referencias Coco, G., Guza, R., Garnier, R., Lomónaco, P., Lopez, B., Dalrymple, R., Xu, M Patterns in the Waves AGU Fall Meeting, EEUU. Dalrymple, R. A A mechanism for rip current generation on an open coast. Journal of Geophysical Research, 80(24), Dalrymple, R. A., MacMahan, J. H., Reniers, A. J., & Nelko, V Rip currents. Annual Review of Fluid Mechanics. 43, Farahani, R. J., Dalrymple, R. A., Hérault, A., & Bilotta, G. (2014). Three-Dimensional SPH Modeling of a Bar/Rip Channel System. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 140(1), Fowler, R.E., & Dalrymple, R.A Wave group forced nearshore circulation. Proceedings 22nd International Conference Coastal Engineering, American Society of 5 Civil Engineers, Garnier, R., Coco G., Lomónaco, P., Dalrymple, R., Álvarez, A., Lopez B., González M., Medina R., Wei, Z Laboratory experiments of rip current generation AGU Fall Meeting, EEUU. Higuera, P., Lara, J.L., Losada, I.J Simulating coastal engineering processes with OpenFOAM. Coastal Engineering, 71,

8 Zijlema, M., G. Stelling, and P. Smit, Swash: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters, Coastal Engineering, 58 (10), Agradecimientos El proyecto ANIMO se ha financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España (Ref: BIA ).