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Azione delle onde di mare su bassi fondali e forme di fondo

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Presentazione sul tema: "Azione delle onde di mare su bassi fondali e forme di fondo"— Transcript della presentazione:

1 Azione delle onde di mare su bassi fondali e forme di fondo
C.U.G.RI. Consorzio inter-Universitario per la Previsione e Prevenzione dei Grandi RIschi Università di Salerno – Università di Napoli “Federico II” Azione delle onde di mare su bassi fondali e forme di fondo Enrico Foti Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA) Università degli Studi di Catania Salerno, 17 maggio 2006

2 SOMMARIO Parte I: Le forme di fondo di piccola scala
Generalità Parte I: Le forme di fondo di piccola scala Posizione del problema Apparati sperimentali per lo studio di ripples Analisi 2D di ripples con tecniche di computer vision Analisi 3D di ripples con tecniche di computer vision Analisi dimensionale Processo di generazione dei ripples Processo di selezione granulometrica Analisi dell’evoluzione dei ripples Analisi della lunghezza d’onda all’equilibrio Analisi dell’altezza d’onda all’equilibrio Velocità di migrazione I modelli di predizione Stima della scabrezza Caratterizzazione della scabrezza generata da onde e correnti su ripples Strumenti di campo per il rilievo del fondo Parte II: Le forme di fondo di grande scala Sand waves- interesse ingegneristico Sand waves nello stretto di Messina Parte III: Conclusioni

3 GENERALITA’ Le forme di fondo in ambito costiero vengono usualmente classificate sulla base della scala temporale e spaziale che le caratterizza (Horikawa, 1970): forme di fondo di grande scala O(1 km) come ad esempio le sand waves tipiche del Mare del Nord del mar Adriatico e dello stretto di Messina; 5 Km forme di fondo di media scala O(1-10m) come ad esempio le dune e i mega-ripples; L’interazione non lineare tra il campo di moto ed il fondo sabbioso non coesivo genera una varietà di strutture sedimentarie caratterizzate da diverse scale temporali e spaziali forme di fondo di piccola scala 10cm), come ad esempio i ripples.

4 Parte I: Forme di fondo di piccola scala

5 Forme di fondo di piccola scala
POSIZIONE DEL PROBLEMA 1/2 Lo studio dell’evoluzione delle forme di fondo di piccola scala caratterizza: 1. la resistenza d’attrito al fondo; 2. il trasporto solido; la diffusione degli inquinanti etc. - =densità dell’acqua; - U0=velocità al fondo; - A = ampiezza delle oscillazioni del fluido; - n = viscosità cinematica dell’acqua; 1. Scabrezza relativa di Nikuradse Numero di Reynolds k S = + ks’ scabrezza dei grani @ 1 mm ks’’scabrezza di forma 5 cm 2. La migrazione delle forme di fondo induce gran parte del trasporto solido cross-shore (Traykovski et al., 1999)

6 APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES1/4
Forme di fondo di piccola scala APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES1/4 Vasche o canali con ondogeni: Riproducono in scala di laboratorio l’intero campo di moto Vasca per lo studio della morfodinamica di piccola scala in dotazione al DICA

7 APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES2/4
Forme di fondo di piccola scala APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES2/4 Tubi a “U”: Riproducono il campo di moto oscillante in prossimità del fondo (strato limite) Tubo a “U” del Delft Hydraulics Tubo a “U” dell’Università di Genova

8 APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES3/4
Forme di fondo di piccola scala Annular cell: Riproducono il campo di moto oscillante in prossimità del fondo (strato limite) Annular cell in dotazione al DICA Glifo per la regolazione dell’ampiezza Motore passo-passo

9 Forme di fondo di piccola scala
APPARATI SPERIMENTALI PER LO STUDIO DI RIPPLES4/4 Vasche per la generazione di onde e correnti: Riproducono un campo di moto oscillante sovrapposto ad un moto stazionario + Uc Vasca del DICA Vasca del DTU

10 ANALISI 2D DI RIPPLES CON TECNICHE DI ‘COMPUTER VISION’
Forme di fondo di piccola scala ANALISI 2D DI RIPPLES CON TECNICHE DI ‘COMPUTER VISION’ La tecnica di misura adottata per seguire l’evoluzione del fondo sabbioso si basa su tecniche di ‘computer vision’ che tenta di duplicare capacità dell’occhio e del cervello umano attraverso tre passi (Doebelin, 1990): formazione dell’immagine; analisi dell’immagine; interpretazione dell’immagine.

11 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 2D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES1/4 Formazione dell’immagine La luce strutturata proietta una lama di luce laser sull’oggetto generando una lama di luce riflessa che segue i contorni dell’oggetto e può essere utilizzata per vari tipi di misure. (a) lama di luce laser sul fondo sabbioso non deformato (b) lama di luce laser sul fondo sabbioso coperto da ripples

12 ANALISI 2D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES2/4 Analisi dell’immagine
Forme di fondo di piccola scala ANALISI 2D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES2/4 Analisi dell’immagine (a) Conversione dell’immagine in scala di grigi Ogni immagine contiene un considerevole numero di informazioni, che è necessario filtrare opportunamente in modo da estrarre solo le informazioni necessarie. La seconda fase riguarda tale processo di filtraggio: (b) Conversione dell’imagine in bianco e nero (c) Trasformazione dell’immagine in una matrice logica

13 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 2D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES3/4 Interpretazione dell’immagine Per interpretare correttamente l’immagine è necessario creare una corrispondenza tra i pixel dell’immagine e le reali dimensioni dell’oggetto. Questa fase è realizzabile attraverso il campionamento di una serie di punti, o processo di calibrazione. Di solito la calibrazione viene realizzata acquisendo l’immagine di un oggetto di dimensioni a priori note e quindi determinando i coefficienti di conversione nelle direzioni orizzontale e verticale. Coefficiente orizzontale Coefficiente verticale

14 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 2D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES4/4 Precisione della tecnica di misura Principali limiti della metodologia proposta La tecnica di misura con luce strutturata richiede acqua limpida e priva di ogni sorta di materiale in sospensione: ciò implica che solo processi morfodinamici causati da trasporto solido di fondo possano essere seguiti. E’ importante che la lama di luce e la videocamera siano posizionate al di sotto della superficie libera per evitare ogni problema di rifrazione.

15 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 3D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES1/5 Formazione dell’immagine Per ottenere le coordinate 3D di un oggetto occorre disporre di almeno due rappresentazioni bidimensionali (immagini) riprese da due video camere. Approccio tradizionale: uguale distanza focale, assi focali allineati, assi y e z paralleli, distanza B nota Approccio modificato: le ipotesi 1-4 si possono rimuovere modificando l’algoritmo risolutivo

16 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 3D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES2/5 Formazione dell’immagine Schema dell’applicazione della tecnica 3D allo studio delle caratteristiche dei ripples Griglia di luce strutturata sul fondo sabbioso

17 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 3D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES3/5 Interpretazione dell’immagine La corrispondenza tra i pixel dell’immagine e le dimensioni reali dell’oggetto 3D viene realizzata utilizzando uno strumento di calibrazione di forma cubica di cui vengono ricostruiti gli spigoli.

18 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 3D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES4/5 Interpretazione dell’immagine La corrispondenza tra i pixel dell’immagine e il fondo sabbioso consente di ricostruire le caratteristiche tridimensionali dei ripples (variazioni delle lunghezze d’onda, difetti, etc.)

19 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI 3D DELLE CARATTERISTICHE DEI RIPPLES5/5 Precisione della tecnica di misura L’incertezza del metodo stimata sulla singola coordinata, secondo le linee guida dell’ ISO risultano pari a: u(Xi) =0.07 cm u(Yi) =0.13 cm u(Zi) =0.06 cm confrontabili dunque con le dimensioni dei sedimenti.

20 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DIMENSIONALE Grandezze dimensionali interessate nel processo di formazione ed evoluzione dei ripples (Yalin & Russell, 1962; Horikawa, 1970; Vittori & Blondeaux, 1990; etc) : Parametri adimensionali: Densità relativa dei sedimenti Numero di Reynolds dei sedimenti Numero di Reynolds dello strato limite Numero di mobilità

21 Forme di fondo di piccola scala
PROCESSO DI GENERAZIONE DEI RIPPLES1/2 La generazione delle forme di fondo di piccola scala ad opera di un moto oscillante può essere imputata alla formazione di celle di ricircolazione, innescate da un piccolo disturbo (es. grano di sabbia) (Sleath, 1976)

22 Forme di fondo di piccola scala
PROCESSO DI GENERAZIONE DEI RIPPLES2/2 Una volta formatesi le celle di ricircolazione, queste comportano la mobilitazione dei granuli di sabbia. Inizialmente i granuli si muovono avanti e indietro sul fondo sabbioso senza essere sollevati. ROLLING GRAIN RIPPLES In seguito, non appena l’altezza delle forme di fondo eccede circa 20 volte il diametro dei granuli, il moto separa sopra la cresta dei ripples, originando strutture vorticose che mobilitano ulteriormente i sedimenti. Bagnold (1946) VORTEX RIPPLES

23 Forme di fondo di piccola scala
PROCESSO DI SELEZIONE GRANULOMETRICA In presenza di sabbie non uniformi sui ripples si innesca un processo di selezione granulometrica che porta la frazione granulometrica più grossolana ad addensarsi sopra le creste. Fondo piano Fondo ondulato

24 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELL’EVOLUZIONE DEI RIPPLES1/2 t = 75 s t = 375 s t = 450 s t = 525 s t = 300 s t = 150 s t = 225 s t = 0 s (a) (a) Comparsa dei primi ripples (b) (b) Crescita dei ripples e sospensione (c) (c) Ripples all’equilibrio Transizione da rolling grain a vortex ripples Ripples generati da onde regolari (H=6.8 cm, T=1.57 s, Red=42, Red=122, y=7)

25 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELL’EVOLUZIONE DEI RIPPLES2/2 (a) (a) Comparsa dei primi ripples (b) (b) Crescita dei ripples e sospensione (c) (c) Ripples all’equilibrio Ripples generati da onde irregolari (Hs=9.8 cm, Tp=1.57 s, Red=62, Red=174, y=15)

26 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELLA LUNGHEZZA D’ONDA ALL’EQUILIBRIO1/3 Confronto tra i dati sperimentali ed il modello di Nielsen (1981) Dati di laboratorio: Dati di campo: l: lunghezza d’onda dei ripples; A: ampiezza delle oscillazioni al fondo; y: numero di mobilità.

27 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELLA LUNGHEZZA D’ONDA ALL’EQUILIBRIO2/3 Confronto tra i dati sperimentali ed il modello di Nielsen (1981) Nel grafico, i dati acquisiti durante il presente lavoro sono stati resi parametrici in funzione di Red, e plottati insieme al modello di Nielsen (1981) per i dati di laboratorio. Appare come i punti sperimentali tendono ad essere organizzati in modo che per un dato valore di y si riscontra più di un valore di Red .

28 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELLA LUNGHEZZA D’ONDA ALL’EQUILIBRIO3/3 Modello proposto E’ stato effettuato un confronto sulla base dei dati sperimentali ottenuti con la presente campagna sperimentale tra il modello di Nielsen (1981) e la formula ivi proposta attraverso l’errore normalizzato:

29 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELL’ALTEZZA D’ONDA ALL’EQUILIBRIO1/2 Dati di laboratorio: Confronto tra i dati sperimentali ed il modello di Nielsen (1981) Dati di campo: h: altezza dei ripples; A: ampiezza delle oscillazioni al fondo; y: numero di mobilità. I dati sperimentali presentano una notevole dispersione e, fra l’altro, come già mostrato nel caso dell’analisi della lunghezza d’onda, la geometria di ripples generati da onde regolari ed irregolari non differisce in maniera significativa.

30 Forme di fondo di piccola scala
ANALISI DELL’ALTEZZA D’ONDA ALL’EQUILIBRIO2/2 Relazione proposta per la stima dell’altezza d’onda dei ripples: Modello proposto Sulla base dell’errore normalizzato prima definito, è stato effettuato un confronto con i dati di Nielsen (1981):

31 Forme di fondo di piccola scala
VELOCITA’ DI MIGRAZIONE1/2 L’analisi della velocità di migrazione dei ripples è stata effettuata attraverso un confronto con i risultati teorici di Blondeaux et al. (2000). L’evoluzione del fondo nel lavoro citato è studiata utilizzando una equazione di trasporto dei sedimenti insieme all’equazione di continuità dei sedimenti (equazione di Exner): espressa in termini del parametro “piccolo” Q, stimato attraverso la formulazione suggerita da Hallermeier (1982):

32 Forme di fondo di piccola scala
VELOCITA’ DI MIGRAZIONE2/2 La velocità di migrazione adimensionale (resa adimensionale con la velocità Uo) è espressa in termini del seguente parametro adimensionale n: Blondeaux, Foti e Vittori. (2000) Eur. J Fluid Mech. Faraci & Foti (2001), Phys. of Fluids

33 Forme di fondo di piccola scala
I MODELLI DI PREDIZIONE Vista la rilevanza ingegneristica associata allo studio delle forme di fondo di piccola scala, molti autori hanno proposto svariati modelli per predire le caratteristiche dei ripples, assegnati i principali parametri adimensionali. Modelli di predizione in presenza di sole onde: Faraci e Foti (2002) Grasmeijer (2002) Madsen (1993) Mogridge et al. (1994) Nielsen (1992) Wiberg e Harris (1994) Modelli di predizione in presenza di onde e correnti: Nielsen (1979) Wiberg e Harris (1994)

34 Forme di fondo di piccola scala
STIMA DELLA SCABREZZA Modelli di predizione in presenza di sole onde Valutazione della scabrezza a partire dalle caratteristiche dei ripples Wiberg & Harris (1994) Mogridge et al. (1994) kn=15qD50 kn=4h kn =D50 Madsen (1993) kn=2.5 D50 Faraci & Foti (2002); Grasmeijer (2002); Nielsen (1992) Sheet Flow Ripples Assenza di moto di sedimenti Regime di trasporto generato dal moto ondoso Modello di predizione dei ripples

35 Forme di fondo di piccola scala
STIMA DELLA SCABREZZA Modelli di predizione in presenza di onde e correnti Valutazione della scabrezza a partire dalle caratteristiche dei ripples kn=2.5 D50 sola corrente Stima della scabrezza al fondo Regime di trasporto generato dal moto ondoso kn=5q2.5D50 Ext. Wiberg & Harris (1994) Nielsen (1992) Sheet Flow Ripples Assenza di moto di sedimenti Modello di predizione dei ripples

36 Forme di fondo di piccola scala
STIMA DELLA SCABREZZA Modelli di predizione in presenza di sole onde Valutazione della scabrezza a partire dalle caratteristiche dei ripples Altezza dei ripples Ripidità dei ripples

37 Forme di fondo di piccola scala
STIMA DELLA SCABREZZA Modelli di predizione in presenza di onde e correnti Valutazione della scabrezza a partire dalle caratteristiche dei ripples

38 Forme di fondo di piccola scala
CARATTERIZZAZIONE DELL’IDRODINAMICA GENERATA DA ONDE E CORRENTI SU RIPPLES Sola corrente Sole onde Onde e correnti Caratteristiche dei Ripples l=12.5 cm h=1.85 cm Caratteristiche del moto H=8.5 cm, T=1.0 s, h=30 cm, Q=33 l/s)

39 Forme di fondo di piccola scala
CARATTERIZZAZIONE DELL’IDRODINAMICA GENERATA DA ONDE E CORRENTI SU RIPPLES La presenza di forme di fondo di piccola scala influenza sensibilmente l’idrodinamica di onde e correnti. Alcuni studi sperimentali sono stati effettuati nella vasca del DICA in presenza di onde e correnti ortogonali. Nelle prove in presenza di forme di fondo i profili della velocità, mediati nello spazio e nel tempo, sono stati ricavati effettuando la media di quattro registrazioni rilevate sul contorno della forma di fondo (cresta, intermedio, cavo e intermedio). Caratteristiche dei Ripples l=12.5 cm h=1.85 cm Caratteristiche del moto H=8.5 cm, T=1.0 s, h=30 cm, Q=33 l/s)

40 Forme di fondo di piccola scala
CARATTERIZZAZIONE DELL’IDRODINAMICA GENERATA DA ONDE E CORRENTI SU RIPPLES Prove su fondo in presenza di ripples (H=8.5 cm, h=1.8 cm l=12.5cm) Profilo medio della velocità nella direzione della corrente solo corrente sole onde onde più corrente * T=0.8 s T=1.0 s T=1.2 s T=1.4 s T=1.6 s

41 Forme di fondo di piccola scala
CARATTERIZZAZIONE DELL’IDRODINAMICA GENERATA DA ONDE E CORRENTI SU RIPPLES Scabrezza apparente ks il profilo della velocità, all’interno dello strato limite, può essere descritto dalla legge di parete logaritmica seguente: k 1 30 ÷ ø ö ç è æ = z v s x ln * in cui vx* è la velocità d’attrito k=0.4 è la costante di von Karman ks è la scabrezza apparente T=1.6s T=1.4s T=1.2s T=1.0s T=0.8s Sola corrente

42 Forme di fondo di piccola scala
STRUMENTI DI CAMPO PER IL RILIEVO DEL FONDO Slitta strumentata A) B) (BCDV) C) (CRAB)

43 Parte II: Forme di fondo di grande scala

44 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES – INTERESSE INGEGNERISTICO Lo studio delle sand waves ha particolare interesse con riguardo alla loro migrazione. Condotte sottomarine che giacciono su fondali interessati dalla presenza di sand waves rischiano di rimanere sospese. gasdotto 1998 2000 1995 1997 Evoluzione del fondo

45 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA Rilievo 2001

46 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA

47 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA N

48 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA Caratteristiche morfologiche delle sand waves Altezza (m) Lunghezza d’onda (m) Area 1 Area 3 Hm = altezza media per classi di profondità; Lm = lunghezza media per classi di profondità; s = Hm / Lm ripidità

49 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA Applicazione Modello Gerarchico (Werner and Kocurek, 1997, 1999)

50 Forme di fondo di grande scala
SAND WAVES NELLO STRETTO DI MESSINA Area 1 Area 3 Stima dell’orientazione e della lunghezza delle creste delle sand waves. Considerando solo le componenti principali del moto il tempo di riorientamento è risultato essere: area 1: 430 anni; area 3: 110 anni;

51 Parte III: Conclusioni

52 CONCLUSIONI1/3 Le forme di fondo, di piccola e di grande scala, sono particolarmente rilevanti per la caratterizzazione delle resistenze offerte al moto e per la corretta stima del trasporto solido costiero, nonché per l’importanza che rivestono qualora siano presenti dei manufatti. Lo studio sperimentale delle forme di fondo di piccola scala viene condotto in campo e in laboratorio utilizzando diversi tipi di strumentazione: L’interazione non lineare tra il campo di moto ed il fondo sabbioso non coesivo genera una varietà di strutture sedimentarie caratterizzate da diverse scale temporali e spaziali Può essere effettuata un’analisi 2D oppure 3D:

53 CONCLUSIONI2/3 Il processo di generazione delle forme di fondo è dovuto alla presenza di celle di ricircolazione. Nel caso dei ripples si passa da rolling grain a vortex ripples. In presenza di sabbie non uniformi avviene una selezione granulometrica. L’analisi dell’evoluzione e all’equilibrio viene effettuata sulle caratteristiche geometriche delle forme di fondo (lunghezza, ampiezza e ripidità). L’evoluzione differisce nel caso che le onde siano regolari o irregolari. Si è inoltre notata all’equilibrio una dipendenza da Red. L’interazione non lineare tra il campo di moto ed il fondo sabbioso non coesivo genera una varietà di strutture sedimentarie caratterizzate da diverse scale temporali e spaziali

54 CONCLUSIONI3/3 La stima della scabrezza in presenza di ripples (nel caso di sole onde o di onde più correnti) può essere condotta applicando modelli teorici, i cui risultati mostrano una grande variabilità, o in laboratorio, mediante misure dei profili di velocità. Lo studio delle forme di fondo di grande scala viene condotta attraverso dati di campo ottenuti attraverso rilievi batimetrici e l’applicazione di modelli teorici. L’interazione non lineare tra il campo di moto ed il fondo sabbioso non coesivo genera una varietà di strutture sedimentarie caratterizzate da diverse scale temporali e spaziali


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