Revista de Gestão Costeira Integrada
Volume 10, Número 4, Dezembro 2010, Páginas 435-455

DOI: 10.5894/rgci211
* - Submissão – 28 Abril 2010; Avaliação – 7 Julho 2010 2010; Recepção da versão revista – 24 Julho 2010; Disponibilização on-line – 2 Dezembro 2010

Modelação da Interacção entre uma Onda e uma Estrutura de Protecção Costeira usando um Modelo Numérico SPH - Smoothed Particles Hydrodynamics *

Study of Wave Interaction with Coastal Structures using a SPH Numerical Model

Eric Didier ^{@, 1}, Maria da Graça Neves ¹

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@ - corresponding author: edidier@lnec.pt
1 - LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Av. do Brasil, 101, 1700-066, Lisboa, Portugal. edidier@lnec.pt; gneves@lnec.pt

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RESUMO
Na última década os métodos numéricos baseados na abordagem Lagrangiana, conhecidos genericamente como modelos SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), foram objecto de um forte desenvolvimento, favorecido principalmente pela capacidade computacional dos meios de cálculo.
Um dos modelos SPH que se encontra actualmente em desenvolvimento é o modelo SPHysics, que permite modelar escoamentos com superfície livre. SPHysics é um modelo numérico bi e tri-dimensional, baseado num método Lagrangiano, que não necessita de malha e que resolve as equações da dinâmica dos fluidos (equações de Navier-Stokes) adequadamente escritas para a aplicação da técnica SPH. Este modelo tem vindo a ser utilizado e desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), com o objectivo de verificar a sua aplicabilidade a estudos de interacção onda-estrutura, concretamente para o cálculo de galgamento, reflexão e forças em estruturas.
Apresenta-se, neste artigo, uma breve descrição do modelo e definem-se os valores de alguns parâmetros do modelo a utilizar em estudos de interacção onda-estrutura. Esses valores foram definidos com base no resultado de estudos anteriores de sensibilidade e validação do modelo realizados nos últimos anos no LNEC.
Para ilustrar a aplicação do modelo numérico SPHysics ao estudo da interacção de ondas com estruturas de protecção marginal impermeáveis, apresentam-se dois casos para os quais existem dados de ensaios experimentais. Estes dois exemplos permitem demonstrar as capacidades do modelo SPHysics na modelação de escoamentos complexos com superfície livre, uma vez que ao longo do domínio intervêm um conjunto de fenómenos que alteram significativamente as características da onda, tais como a rebentação e posterior reflexão na estrutura e o galgamento. Os resultados de caudal médio galgado obtidos com o modelo SPHysics apresentam boa concordância com os dados experimentais. Verificou-se que, para casos onde o caudal galgado seja muito reduzido, que corresponde à condição mais difícil de ser modelada quer experimental quer numericamente, deve-se definir cuidadosamente a dimensão inicial máxima das partículas, de modo a obter resultados independentes da discretização mas no mínimo tempo de cálculo possível.
Por fim, o modelo SPHysics é utilizado para modelar a propagação de ondas regulares numa estrutura costeira que termina num deflector de ondas. Este caso, embora não possa ser validado por não se dispor de dados experimentais para tal, é relevante para a ilustração das potencialidades do modelo, dado a complexidade dos fenómenos envolvidos, especialmente das interacções da onda deflectida com a onda incidente e reflectida. Os resultados da simulação apresentados permitem verificar que o modelo modela sem dificuldade e com realismo este tipo muito complexo de escoamento que inclui não só a rebentação da onda mas também da acção do deflector de ondas e a forte interacção que ocorre entre o jacto de água induzido pelo deflector e a própria onda na fase de run-down.
Finalmente apresenta-se um resumo das principais vantagens e limitações do modelo quando aplicado a estudos de interacção onda-estrutura e referem-se os desenvolvimentos futuros do modelo de forma a torná-lo numa ferramenta numérica eficiente e fiável para concepção, optimização e análise de estrutura marítimas.

Palavras-chave: Estruturas costeiras, modelos numéricos, método Lagrangiano, Smoothed Particles Hydrodynamics, galgamento, rebentação.

ABSTRACT
In the last decade, the numerical methods based on the Lagrangian approach, known generically as SPH models (Smoothed Particle Hydrodynamics), have undertaken a strong development, fostered mainly by the increase in computational capacity.
One SPH model that is currently under development is the SPHysics model, which allows modeling free surface flows. SPHysics is a bi- and tri-dimensional numerical model, based on a Lagrangian method. The model is based on a mesh-free technique and solves the equations of fluid dynamics (Navier-Stokes equations) written in SPH form. This model has been used and developed at the National Civil Engineering Laboratory (LNEC), in order to verify its applicability to studies of wave-structure interaction, specifically for calculating wave overtopping, reflection and forces on structures.
This paper presents a brief description of the model and defines values of some model parameters to be used in studies of wave-structure interaction. These values were defined based on the results of previous sensitivity studies and on validation of the model carried out in recent years at LNEC.
To illustrate the application of the numerical model SPHysics to study the interaction of waves with impermeable coast protection structures, two case studies are presented for which there are experimental data. These two examples demonstrate the capabilities of SPHysics in modeling complex free surface flows, involving a set of phenomena that significantly change the characteristics of the wave, such as breaking and subsequent reflection on the structure and overtopping. The results of mean overtopping discharge obtained with SPHysics show good agreement with experimental data. For very low overtopping cases, more difficult to model both experimentally and numerically, the initial maximum particle size must be defined carefully in order to obtain results that are not affected by the adopted discretization whilst still keeping the required calculation time to a minimum.
Finally, SPHysics is used to model the propagation of regular waves towards a coastal structure with a wave recurve wall. Although experimental data are not available to validate this case, it is relevant to illustrate the potential of the model for the complex phenomena involved, especially the wave interactions with the incident and reflected waves. The presented simulation results show that SPHysics models, without difficulty and with realism, this type of very complex flow that includes the wave surf, the wave action on the recurve wall and the strong interaction between the jet induced by the recurve wall and the wave itself during the run-down.
Finally, a summary is presented of the main advantages and limitations of the model when applied to studies of wave-structure interaction. The paper ends with suggestions for future developments of the model in order to make it an efficient and reliable numerical tool for design, optimization and analysis of maritime structures.

Keywords: Coastal structures, numerical models, Lagrangian method, Smoothed Particles Hydrodynamics, wave overtopping, wave-breaking.

 

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