mestre em engenharia civil especializaÇÃo em ......modelaÇÃo numÉrica do desempenho hidrÁulico...

MODELAÇÃO NUMÉRICA DO

DESEMPENHO HIDRÁULICO DO BLOCO DE

PROTEÇÃO COSTEIRA SWED-BLOCK

LUÍS TIAGO FERREIRA FERNANDES

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA

Orientador: Professor Doutor Francisco de Almeida Taveira Pinto

Coorientador: Professor Doutor Paulo Jorge Rosa Santos

JULHO DE 2018

Modelação Numérica do Desempenho Hidráulico do Bloco de Proteção Costeira SWED-Block

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2017/2018

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado

o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2017/2018 -

Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,

Porto, Portugal, 2018.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de

vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou

outra em relação a erros ou omissões que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor.

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À minha família e amigos

The biggest reward for a thing well done is to have done it

Voltaire


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AGRADECIMENTOS

A realização desta dissertação foi uma das fases mais importantes da minha vida pessoal e académica.

Na conclusão deste ciclo, queria aproveitar para deixar o meu enorme agradecimento a todos aqueles

que me acompanharam ao longo deste semestre, mas também ao longo de todo o curso e da vida.

Aos meus pais por terem sido os principais responsáveis pelo cumprimento deste meu objetivo, pois foi

extremamente importante toda a confiança e motivação recebida da parte deles. Aos meus avós

maternos, que foram como uns segundos pais, contribuindo para o meu desenvolvimento pessoal. Quero

também deixar o meu apreço à minha restante família por todo o acompanhamento, ajuda e carinho

demonstrando durante toda a minha vida.

Ao Professor Francisco Taveira Pinto e ao Professor Paulo Rosa Santos, orientador e coorientador,

respetivamente, por toda a ajuda e disponibilidade demonstrada durante o período da realização deste

trabalho. Os conhecimentos e conselhos que me transmitiram foram essenciais para a superação das

diversas questões e problemas que foram surgindo ao longo da dissertação.

Ao Doutor Iván López por todo o apoio concedido na resolução dos problemas relacionados com a

aplicação do modelo numérico, tendo um contributo fundamental na minha aprendizagem e

familiarização com o modelo.

À Dona Esmeralda por todo o apoio prestado ao longo da concretização deste trabalho.

A todas os funcionários e Professores da FEUP com quem tive o prazer de me cruzar ao longo destes

anos de vida académica, que proporcionaram a obtenção de conhecimento sobre diversas temáticas.

A todos os colegas e amigos que fiz ao longo do curso e com quem passei momentos inesquecíveis. Sem

eles, esta caminhada não teria o mesmo significado e valia.

A todos os amigos que me vêm acompanhando ao longo de todas as aventuras, que independentemente

da sua maior ou menor presença na minha vida, todos tiveram uma grande participação na formação da

pessoa que sou hoje.

A todos os amigos que fiz ao longo da minha experiência de Erasmus em Kaunas, Lituânia, com quem

passei momentos fantásticos, e por quem guardo um carinho especial.

Um obrigado a todos.


ii


iii

RESUMO

A erosão costeira constitui um dos maiores desafios para a Engenharia Costeira, com consequências

económicas e sociais relevantes, e que têm vindo a ser agravadas pelos efeitos das alterações climáticas.

Perante o agravamento deste problema, tem-se verificado uma crescente preocupação e

consciencialização no sentido de proteger e salvaguardar as zonas de maior risco. Deste modo, existe

um elevado interesse no desenvolvimento de novas formas de proteção costeira, capazes de mitigar os

efeitos da erosão e que causem um menor impacto no local de implantação comparativamente às

medidas mais tradicionais.

A presente dissertação pretendeu dar continuidade ao estudo de uma nova forma de proteção costeira, o

SWED-block. Este bloco foi desenvolvido tendo por base o funcionamento de recifes naturais e

apresenta-se como uma possível forma de mitigação da erosão costeira.

Para estudar a propagação e interação das ondas com o bloco, utilizou-se um modelo numérico de

Computational Fluid Dynamics, o IHFOAM, que tem como base as equações RANS - Reynolds Average

Navier-Stokes. Atualmente, e que é parte integrante do software OpenFOAM (Open source Field

Operation And Manipulation), com capacidade de definição de condições-fronteira e solvers adequados

à resolução do cálculo numérico para este tipo de aplicação.

A validação dos resultados provenientes da modelação numérica do SWED-block foi realizada através

da comparação destes com os resultados obtidos no estudo em modelo físico, Gomes (2017). Dadas as

potencialidades da ferramenta de cálculo utilizada, também foi possível analisar e estudar o

comportamento do escoamento ao nível da partícula.

Este modelo numérico consegue simular a propagação e interação das ondas com o bloco e com o talude

da praia de forma muito satisfatória. Em termos de análise da reflexão, os coeficientes de reflexão

obtidos numericamente são próximos dos obtidos no modelo físico, nos casos em que se utilizou um

perfil da praia modificado, semelhante ao perfil final dos ensaios. Nos casos de estudo para as condições

de baixa-mar procurou-se garantir uma submersão do bloco adequada, enquanto que para as condições

de preia-mar, a inclinação do talude da praia na zona de rebentação, demonstrou ser o fator mais

determinante na obtenção de um coeficiente de reflexão próximo do verificado no modelo físico. De

facto, percebeu-se que o perfil da praia aplicado no modelo numérico tem uma elevada influência nos

resultados da reflexão, sendo um dos fatores mais importantes a considerar na aplicação do modelo

numérico no estudo do SWED-block.

PALAVRAS-CHAVE: erosão costeira, CFD, modelação numérica, OpenFOAM, equações RANS, SWED-

block


iv


v

ABSTRACT

Coastal erosion is one of the greatest challenges for Coastal Engineering, with relevant economic and

social impacts, which are being aggravated by the effects of the climate change. The growing of this

problem has been drawing a raising public awareness of protecting and safeguarding the social and

economic assets, in the regions of greatest risk. Therefore, there is a high interest in the development of

new forms of coastal protection, able to mitigate the effects of the erosion and that cause a smaller

impact in the local of implementation compared to more traditional solutions.

The present dissertation intended to continue the study of a new form of coastal protection, the SWED-

block. This block was developed based on the operation of natural reefs and presents itself as a possible

form of mitigation of coastal erosion.

To study the propagation and interaction of the waves with the block, it was used a numerical model of

Computational Fluid Dynamics, the IHFOAM, which is based on the RANS-Reynolds Average Navier-

Stokes equations. Presently, this model is an integral part of OpenFOAM (Open Source Field Operation

And Manipulation) software, with boundary conditions definition and solvers suitable for solving the

numerical calculation for this type of application.

The validation of the results from the numerical modelling of the SWED-block was done by comparing

these results with the results obtained in the in the physical model, study performed by Gomes (2017).

Given the potential of the numerical tool used, it was also possible to analyse and study the flow

behaviour at the particle level.

The numerical model used can simulate the propagation and interaction of waves with the block and the

slope of the beach in a very satisfactory way. In terms of reflection analysis, the reflection coefficients

obtained numerically are close to those obtained in the physical model, in cases where a modified beach

profile was used, similar to the final profile of the experiments. In the case studies for the low-tide

conditions, an attempt was made to ensure adequate submersion of the block, while for the high-tide

conditions, the slope of the beach profile in the surf zone was the most important factor in obtaining a

reflection coefficient closer to that verified in the physical model. In fact, it was noticed that the profile

of the beach applied in the numerical model has a high influence on the results of the reflection analysis,

being one of the most important factors to consider in the application of the numerical model in the

study of the SWED-block.

KEYWORDS: coastal erosion, CFD, numerical modelling, OpenFOAM, RANS equations, SWED-block


vi


vii

Índice Geral

Agradecimentos ................................................................................................................................. i

Resumo ............................................................................................................................................... iii

Abstract ............................................................................................................................................... v

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento .......................................................................................................................... 1

1.2. Estrutura e Objetivos do Trabalho ........................................................................................ 2

2 A EROSÃO COSTEIRA E POSSÍVEIS SOLUÇÕES ...................... 5

2.1. Introdução ................................................................................................................................... 5

2.2. Caracterização da Erosão Costeira ....................................................................................... 5

2.2.1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 5

2.2.2. TRANSPORTE LONGITUDINAL ........................................................................................................... 7

2.2.3. TRANSPORTE TRANSVERSAL ........................................................................................................... 9

2.3. Medidas de Mitigação da Erosão Costeira ........................................................................ 10

2.3.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 10

2.3.2. SURGEBREAKER ........................................................................................................................... 12

2.3.3. WAVEBLOCK ................................................................................................................................. 14

2.3.4. BEACHSAVER REEF....................................................................................................................... 15

2.3.5. DOUBE-T SILL .............................................................................................................................. 17

2.3.6. P.E.P. REEFS – PREFABRICATED EROSION PREVENTION ................................................................ 19

2.3.7. DRIM – DISTORTED RIPPLE MAT ................................................................................................... 21

2.3.8. REEF BALL ................................................................................................................................... 23

2.3.9. BEACH PRISM ............................................................................................................................... 25

2.3.10. WAD - WAVE ATTENUATION DEVICE ............................................................................................ 26

2.4. O SWED-Block - Submerged Wave Energy Dissipation Block ..................................... 29

2.4.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 29

2.4.2. ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................................................... 33


viii

3 MODELAÇÃO NUMÉRICA DO SWED-BLOCK USANDO O OpenFOAM ..............................................................................................................................39

3.1. Introdução .................................................................................................................................39

3.2. Aplicação de Modelos Numéricos RANS ...........................................................................40

3.3. Modelação Numérica ..............................................................................................................45

3.3.1. AS EQUAÇÕES DE NAVIER-STOKES ................................................................................................45

3.3.2. MÉTODO DO VOLUME OF FLUID (VOF) ............................................................................................46

3.3.3. OPENFOAM - IHFOAM ................................................................................................................47

3.3.3.1. Preparação das condições de simulação ................................................................................47

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS................................61

4.1. Análise da Reflexão e do Escoamento ...............................................................................61

4.1.1. ANÁLISE SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK .................................................................................62

4.1.2. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK ......................................................64

4.1.3. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO RUGOSO DO SWED-BLOCK ................................................73

5 CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ...............81

5.1. Conclusões ...............................................................................................................................81

5.2. Desenvolvimentos Futuros ...................................................................................................82

Bibliografia ..............................................................................................................................83

ANEXOS .....................................................................................................................................87

Anexo A .............................................................................................................................................89

ALGORITMO ADOTADO NAS SIMULAÇÕES ..................................................................................................89

Anexo B .............................................................................................................................................93

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK .....................................93

Anexo C .............................................................................................................................................99

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK ...........99

Anexo D ........................................................................................................................................... 121

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES COM A PRESENÇA DO MODELO RUGOSO DO SWED-BLOCK ... 121


ix

Índice de Figuras

Fig. 1 – Esquema geral do fenómeno de erosão costeira provocada por uma tempestade (Charlier e

De Meyer, 1998) ....................................................................................................................... 7

Fig. 2 – Campo de esporões a sul do Porto de Aveiro, sendo possível observar a erosão a sotamar de

cada esporão (Google Maps, 2018) .......................................................................................... 8

Fig. 3 – Resultado da implantação de um esporão com acumulação de sedimentos a barlamar e

erosão a sotamar (Veloso Gomes, 2014).................................................................................. 9

Fig. 4 – Imagens da passagem da tempestade de 5 de Junho de 2016 em Collaroy Beach, Sydney,

Austrália (Business Insider, 2016): antes (esquerda) e depois (direita) .................................. 10

Fig. 5 – a) Obra de estabilização de dunas (Veloso Gomes, 2014); b) estrutura longitudinal aderente

de betão em Glifoneri, Península de Kasandra, Grécia e c) campo de quebramares

destacados em Gombo, Itália (Pranzini et al., 2015) ............................................................... 11

Fig. 6 – Exemplo de um Surgebreaker (U.S. Army Corps of Engineers, 2004) .................................... 12

Fig. 7 – Dimensões do Surgebreaker (adaptado de Pilarczyk e Zeidler (1996), retirado de Gomes

(2017))..................................................................................................................................... 13

Fig. 8 – Ilustração esquemática de um Waveblock (retirado de Pilarczyk e Zeidler (1996)) ................ 14

Fig. 9 – Exemplo de um Beachsaver Reef (Pilarczyk e Zeidler, 1996)................................................. 15

Fig. 10 – Ilustração esquemática da ação de um Beachsaver Reef na propagação das ondas

(Pilarczyk e Zeidler, 1996) .................................................................................................... 16

Fig. 11 – Colocação de um Double-T Sill em posição de funcionamento (elementos verticais voltados

para cima), com recurso a gruas (Stauble et al., 2005) ........................................................ 17

Fig. 12 – Sistema de interligação dos elementos do tipo Double-T Sill (Stauble et al., 2005) .............. 18

Fig. 13 – Bloco P.E.P. Reef (Stauble e Tabar, 2003) ........................................................................... 19

Fig. 14 – Esquema de implantação do P.E.P Reef em Palm Beach, Flórida (adaptado de Dean et al.

(1997)) .................................................................................................................................. 20

Fig. 15 – Esquema de montagem e funcionamento de um Distorted Ripple Mat – DRIM (adaptado de

Pilarczyk (2010)) ................................................................................................................... 22

Fig. 16 – Desenvolvimento de um perfil de praia estável por utilização do DRIM (adaptado de

Pilarczyk (2010)) ................................................................................................................... 22

Fig. 17 – Reef Balls utilizadas como quebramar submerso na intervenção da Ilha Grande Caimão

(Harris, 2003) ........................................................................................................................ 23

Fig. 18 – Exemplo de um Beach Prism (beachprisms.com) ................................................................. 25

Fig. 19 – Exemplo de um WAD a ser posicionado no local de intervenção (Living Shoreline Solutions

Inc., 2018) ............................................................................................................................. 27

Fig. 20 – Resultados relativos à redução da altura e energia de onda (Wang, 2007) .......................... 28

Fig. 21 – Comparação das cotas obtidas antes e depois da instalação dos blocos WAD (Living

Shoreline Solutions Inc., 2018) ............................................................................................. 28


x

Fig. 22 – Perfil transversal inicial do SWED-Block (Gomes, 2017).......................................................30

Fig. 23 – Representação esquemática do modelo liso do SWED-Block (Gomes, 2017)......................31

Fig. 24 – Representação 3D do modelo liso do bloco SWED (Gomes, 2017) ......................................31

Fig. 25 – Representação esquemática do modelo rugoso, evidenciando o pormenor dos degraus

(Gomes, 2017) ......................................................................................................................32

Fig. 26 – Representação 3D do modelo rugoso do novo bloco (Gomes, 2017), a barlamar e a

sotamar, respetivamente .......................................................................................................32

Fig. 27 – Representação 3D do modelo poroso, apresentando as modificações aplicadas no

paramento de barlamar, sotamar e ainda na parte lateral (Gomes, 2017) ............................33

Fig. 28 – Coeficientes de reflexão obtidos para os diferentes modelos do SWED-Block, para um

aumento da altura de onda significativa incidente e para o nível de maré de baixa-mar

(Gomes, 2017) ......................................................................................................................34

Fig. 29 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de

maré de baixa-mar (Gomes, 2017) .......................................................................................35

Fig. 30 – Coeficientes de reflexão obtidos para um nível de maré de preia-mar e aumento de altura de

onda significativa incidente (Gomes, 2017) ...........................................................................35

Fig. 31 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de

maré de preia-mar (Gomes, 2017) ........................................................................................36

Fig. 32 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de

baixa-mar (Gomes, 2017) .....................................................................................................37

Fig. 33 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de

preia-mar (Gomes, 2017) ......................................................................................................37

Fig. 34 – Comparação dos resultados numéricos com os do modelo físico, no instante t= 1. 45 s e

para uma altura de onda de aproximadamente 0.05 m, em termos de: a) elevação da

superfície livre da água e b) perfis de velocidade horizontal (superior) e vertical (inferior) (Wu

e Hsiao, 2013) .......................................................................................................................41

Fig. 35 – Esquema do setup do modelo (Lara et al., 2011) ..................................................................42

Fig. 36 – Comparação dos resultados numéricos com os obtidos nos ensaios de Sawaragi e Deguchi

(1993) ....................................................................................................................................43

Fig. 37 – Comparação da elevação da superfície livre da água: (a) h=40 cm, T=1.6 s, H=10 cm. (b)

h=40 cm, T=1.6 s, H=3.7 cm (Garcia et al., 2004) ...............................................................44

Fig. 38 – Campos de velocidades para t/T=0.55 (Garcia et al., 2004) .................................................44

Fig. 39 – Métodos mais comuns de simulação de turbulência (Bakker, 2006) .....................................45

Fig. 40 – Procedimento para a consideração de um volume médio nas equações RANS para

obtenção das equações VARANS (Higuera, 2015) ...............................................................46

Fig. 41 – Definição da superfície livre, de acordo com o método VoF (Haider, 2013) ..........................47

Fig. 42 – Hierarquia das pastas e ficheiros do tutorial spillway ............................................................48

Fig. 43 – Hierarquia das pastas e ficheiros do caso em estudo do SWED-block .................................49


xi

Fig. 44 – Metodologia adotada para as simulações numéricas ............................................................ 51

Fig. 45 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de baixa-mar: a) Sem

bloco, b) Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017) ..................................................... 53

Fig. 46 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de preia-mar: a) Sem

bloco, b) Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017) ..................................................... 54

Fig. 47 – Malha usada na simulação do modelo liso do SWED-block: a) descrição das fronteiras da

malha; b) zonas de refinamento localizado e c) refinamento do contorno do bloco .............. 55

Fig. 48 – Gama de aplicabilidade de teorias de onda, Le Méhauté (1976), retirado de Higuera (2015)

.............................................................................................................................................. 57

Fig. 49 – Esquema geral do domínio físico utilizado no modelo numérico (valores em metros) .......... 62

Fig. 50 – Perfis utilizados em cada simulação sem a presença do bloco ............................................. 62

Fig. 51 – Coeficientes de reflexão obtidos para os níveis de baixa-mar e preia-mar: a) simulação 1 e

b) simulação 2 ....................................................................................................................... 63

Fig. 52 – Coeficientes de reflexão obtidos: a) para as simulações 3 e 4 e b) para o modelo físico, para

a praia na ausência do SWED-block, para as mesmas condições de agitação (Gomes,

2017) ..................................................................................................................................... 63

Fig. 53 – Coeficientes de reflexão obtidos utilizando o perfil inicial da praia ........................................ 65

Fig. 54 – Campos de velocidades para as três simulações, considerando o perfil inicial da praia para

o: a) nível de água igual a 0.33 m; b) nível de água igual a 0.36 m e c) nível de água igual a

0.39 m ................................................................................................................................... 66

Fig. 55 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block,

nas condições de baixa-mar ................................................................................................. 67

Fig. 56 – Comparação dos coeficientes de reflexão para o modelo liso do SWED-block, nas condições

de baixa-mar ......................................................................................................................... 67

Fig. 58 – Análise do desenvolvimento da fossa de erosão a sotamar: a) estado final do ensaio

experimental (Gomes, 2017); b) campos de velocidades em que é possível observar o

vórtice e c) turbulência cinética ............................................................................................. 68

Fig. 57 – Comparação dos campos de velocidades de duas simulações do modelo liso do SWED-

block, nas condições de baixa-mar: a) Perfil inicial da praia e nível da água em 0.39 m e b)

Perfil rebaixado da praia e nível de água em 0.33 m ............................................................ 69

Fig. 59 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de baixa-mar, para duas situações

distintas: a) perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado

considerando a fossa de erosão observada no modelo físico .............................................. 70

Fig. 60 – Coeficientes de reflexão para o modelo liso do bloco obtidos para as condições de preia-mar

.............................................................................................................................................. 70

Fig. 61 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block,

nas condições de preia-mar .................................................................................................. 71


.............................................................................................................................................. 71


xii

Fig. 63 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de preia-mar, para duas situações

distintas: a) perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado com

adição da fossa de erosão observada no modelo físico........................................................72

Fig. 64 – Coeficientes de reflexão obtidos para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando o perfil

inicial da praia nas condições de baixa-mar ..........................................................................73

Fig. 65 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do SWED-

block, nas condições de baixa-mar .......................................................................................74

Fig. 66 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de baixa-mar

..............................................................................................................................................74


block, com a ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de

baixa-mar ..............................................................................................................................75

Fig. 68 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas

condições de baixa-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso ................................................76

Fig. 69 – Comparação da turbulência, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas condições de

baixa-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso ......................................................................77

Fig. 70 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de preia-mar

..............................................................................................................................................78


block, com a ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de

preia-mar ...............................................................................................................................78


..............................................................................................................................................79

Fig. 73 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas

condições de preia-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso .................................................80

Fig. 74 – Algoritmo usado nas simulações ...........................................................................................91

Fig. 75 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de baixa-mar

..............................................................................................................................................95

Fig. 76 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ..............................................95

Fig. 77 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de preia-mar

..............................................................................................................................................95



..............................................................................................................................................96



..............................................................................................................................................97



xiii


.............................................................................................................................................. 97

Fig. 84 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida .............................................. 98


.............................................................................................................................................. 98

Fig. 86 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida .............................................. 98

Fig. 87 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando

o perfil inicial da praia, para as condições de baixa-mar ..................................................... 101

Fig. 88 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ............................................ 101

Fig. 89 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia,

nas condições de baixa-mar ............................................................................................... 102


o perfil inicial da praia, para as condições de preia-mar ..................................................... 103



o perfil inicial da praia e subida do nível de água para h=0.36 m ....................................... 104


Fig. 94 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia

e subida do nível de água para h=0.36 m ........................................................................... 105


o perfil inicial da praia e subida do nível de água para h=0.39 m ....................................... 106


Fig. 97 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia

e subida do nível de água para h=0.39 m ........................................................................... 107


um perfil rebaixado da praia, nas condições de preia-mar .................................................. 108


Fig. 100 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado

da praia, nas condições de preia-mar ............................................................................... 109

Fig. 101 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil

rebaixado da praia, nas condições de preia-mar .............................................................. 110

Fig. 102 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block,

utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ............................... 111

Fig. 103 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida .......................................... 111


da praia, nas condições de baixa-mar .............................................................................. 112


rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar .............................................................. 113


xiv


utilizando um perfil rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do

bloco, nas condições de baixa-mar ................................................................................... 114



da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar ............. 115


rebaixado da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar

.......................................................................................................................................... 116


utilizando um perfil rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do

bloco, nas condições de preia-mar.................................................................................... 117



da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar .............. 118


rebaixado da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar

.......................................................................................................................................... 119

Fig. 114 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block,

utilizando o perfil inicial da praia, nas condições de baixa-mar ......................................... 123



utilizando o perfil inicial da praia, nas condições de preia-mar ......................................... 123



utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ............................... 125


Fig. 120 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil


Fig. 121 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil

rebaixado da, nas condições de baixa-mar ....................................................................... 127


utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de preia-mar ................................ 128


Fig. 124 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil


Fig. 125 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil

rebaixado da, nas condições de preia-mar ....................................................................... 130


xv

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Valores de referência de definição do domínio da malha numérica ................................... 51

Tabela 2 – Características da malha base 2D tendo como referência uma onda com L = 9.78 m e H =

0.13 m (valores do modelo) ............................................................................................... 52

Tabela 3 – Condições de agitação marítima testadas, valores no modelo (escala 1:15) ..................... 57

Tabela 4 – Descrição das simulações realizadas................................................................................. 58

Tabela 5 – Descrição das simulações realizadas................................................................................. 59

Tabela 6 – Características da malha base 2D usada nas simulações de preia-mar do modelo liso do

SWED-block ....................................................................................................................... 73

Tabela 7 – Resumo comparativo entre os resultados obtidos no modelo físico e no modelo numérico

........................................................................................................................................... 79


xvi


xvii

SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS

POR ORDEM ALFABÉTICA

alpha.water Função de Volume of Fluid

BM Nível de maré de baixa-mar [m]

C++ Linguagem de programação derivada da linguagem C

CFD Computational Fluid Dynamics

COBRAS COrnell BReaking And Structure

DES Detached Eddy Simulation

DNS Direct Numerical Simulation

DRIM Distorted Ripple Mat

DWA Dynamic Wave Absorption

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

GridFEUP Rede de alta performance computacional

IHCantabria Instituto de Hidráulica Ambiental da Universidade de Cantábria

LES Large Eddy Simulation

MHW Mean High Water [m]

NGVD National Geodetic Vertical Datum of 1929

OpenFOAM Open Field Operation And Manipulation

P.E.P. Reef Prefabricated Erosion Prevention Reef

PM Nível de maré de preia-mar [m]

RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes

RAS Reynolds Average Simulations

SST Shear Stress Transport

stl Stereolithography (formato de ficheiro CAD)

SWED-block Submerged Wave Energy Dissipation Block

U.S.A.C.E. United States Army Corps of Engineers

US Army United States Army

VARANS Volume Averaged Navier-Stokes

VoF Volume of FLuid

WAD Wave Attenuation Device


xviii

SÍMBOLOS

Cr Coeficiente de reflexão

Cu Valor constante, geralmente igual a 0.09, para o modelo de

turbulência κ – ε

dx Dimensão da malha na direção x [m]

dy Dimensão da malha na direção y [m]

dz Dimensão da malha na direção z [m]

g Aceleração da gravidade [m/s2]

h Profundidade de água [m]

H Altura de onda [m]

Hsi Altura de onda Incidente [m]

Hsr Altura de onda Refletida [m]

I Intensidade da turbulência [%]

l Escala de comprimento de turbulência

L Comprimento de onda [m]

nut Viscosidade turbulenta

Nx Número de células total da malha na direção x

Ny Número de células total da malha na direção y

Nz Número de células total da malha na direção z

p_rgh Pressão dinâmica [Pa]

T Período de onda ou intervalo de tempo correspondente à passagem

de duas cristas sucessivas [s]

Tp Período de pico [s]

U Velocidade [m/s]

z Cota [m]

δx Espaçamento das células na direção x [m]

δx/L Número de células por comprimento de onda na direção x

δy Espaçamento das células na direção y [m]

δz Espaçamento das células na direção z [m]

δz/H Número de células por altura de onda

ε Dissipação da turbulência

κ Turbulência cinética [m2/s]

κ - ε Modelo de turbulência kEpsilon


xix

κ - ω Modelo de turbulência kOmega

κ – ω SST Modelo de turbulência kOmega SST

ξ Parâmetro adimensional

ω Dissipação específica de k


xx


1

1 INTRODUÇÃO

1.1. ENQUADRAMENTO

A crescente presença populacional em regiões costeiras parece constituir um fator decisivo no seu

crescimento (Pilarczyk e Zeidler, 1996). De facto, com o passar do tempo, as atividades humanas

associadas a esta proximidade às zonas marítimas foram aumentando e diversificando, sendo hoje de

extrema importância socioeconómica para as mesmas. Posto isto, percebe-se que seja dada uma atenção

especial por parte das autoridades competentes às zonas costeiras de forma a assegurar a sua estabilidade

e sustentabilidade.

Os fenómenos de erosão e de acreção costeira resultantes da ação da agitação marítima sempre existiram

na natureza, pelo que tiveram um elevado contributo em moldar as linhas de costa atualmente existentes.

No entanto, o incremento da atividade humana nestas regiões acabou por intensificar indiretamente o

fenómeno da erosão costeira, interferindo com o aspeto natural do processo.

Por outro lado, as alterações climáticas surgiram como um catalisador da erosão causada nas zonas

costeiras um pouco por todo o mundo, sendo esta bastante visível também na costa portuguesa. Essas

alterações são frequentemente atribuídas à revolução industrial que surgiu em Inglaterra em finais do

século XVIII, pois existem dados que apontam para que, no período que se seguiu a esse acontecimento,

tenham existido mudanças significativas a nível ambiental. Segundo a Agência Europeia do Ambiente

(2017), a temperatura média mundial subiu cerca de 0.8º C em relação à média do período pré-industrial

(2ª metade do século XIX), o nível médio da água do mar subiu, o degelo dos glaciares polares

intensificara-se e verificara-se ainda alterações nos padrões de pluviosidade.

Nas últimas décadas tem-se observado um aumento de situações climatéricas extremas, como ondas de

calor, situações de seca ou inundações causadas por tempestades severas e aumento da intensidade do

vento (Agência Europeia do Ambiente, 2017). Apesar de na comunidade científica a nível mundial não

se atribuir uma responsabilidade direta e total às alterações climáticas, é de prever que mais situações

meteorológicas extremas possam vir a acontecer e com isso uma maior frequência e intensidade de

tempestades.

Estes acontecimentos têm graves consequências em todo o território, sendo que o aumento do nível

médio da água do mar e, principalmente, o agravamento das tempestades, apresentam alguns problemas

para as zonas costeiras a nível mundial pois são áreas sujeitas à ação direta destes fenómenos. Os danos

que são possíveis de observar aquando da passagem destas tempestades pelo território português e

europeu demonstram a capacidade destrutiva e a influência negativa que podem ter na alteração

morfológica destas zonas de maior risco.


2

De forma a dar resposta a estes problemas, tanto a nível europeu como nacional, foram sendo

desenvolvidas medidas de mitigação destes fenómenos. De acordo com o Projeto EUROSION da

Comissão Europeia, estima-se que a área total (incluindo habitações e outras edificações) perdida por

causa da erosão costeira seja cerca de 15 km2/ano na Europa, sendo o custo anual em medidas de

mitigação estimado em cerca de 3 mil milhões de euros, o que é compreensivelmente um valor

demasiado elevado e com tendência a aumentar significativamente (EUROSION, 2006). Os elevados

custos referidos advêm da construção de estruturas de proteção costeira sendo que algumas dessas têm

vindo a ser prática comum por um período de tempo bastante longo, como é o caso dos quebramares e

esporões. No entanto, percebeu-se que estas estruturas afetavam o normal transporte de sedimentos

propiciando a sua deposição a barlamar, o que acabaria por causar erosão a sotamar, e por isso efeito

negativos em zonas adjacentes. Tendo em conta o peso socioeconómico associado às atividades

dependentes das zonas costeiras, há hoje uma maior preocupação e exigência em assegurar os menores

impactes negativos possíveis nestas regiões por parte das populações afetas. Sendo assim, é necessário

estudar e tentar adotar medidas alternativas viáveis e preferencialmente mais eficazes.

As soluções submersas como os quebramares destacados ou os recifes artificiais (ambos inspirados nos

recifes naturais) surgem como uma possível alternativa. No entanto, são de mais difícil execução,

apresentam custos mais elevados e requerem meios especiais para a sua aplicação, sendo lógica a ideia

de desenvolver uma alternativa que seja económica e de fácil execução.

Essas estruturas, como o novo bloco para proteção costeira que se pretende analisar numericamente

nesta dissertação, configuram uma hipótese alternativa mais económica que as soluções correntemente

utilizadas, sendo que o principal objetivo é de proteger a linha de costa face às novas exigências

ambientais e sociais, sem interferências importantes na paisagem natural.

O referido novo bloco, designado por SWED- Submerged Wave Energy Dissipation Block, consiste num

bloco pré-fabricado em betão, de aplicação submersa ao largo de praias atingidas pelos efeitos da erosão,

perspetivando a mitigação desses efeitos.

1.2. ESTRUTURA E OBJETIVOS DO TRABALHO

Os principais objetivos deste trabalho passam por dar continuidade ao desenvolvimento do novo bloco

de proteção costeira SWED-Block. Deste modo, de forma a dar seguimento ao trabalho da modelação

física do bloco realizado por Gomes (2017) procedeu-se à modelação numérica do mesmo. Inicialmente

pretendeu-se validar os resultados numéricos com os experimentais e, posteriormente, considerando as

capacidades da modelação numérica foi possível melhorar o conhecimento sobre os mecanismos de

dissipação da energia da onda com vista à otimização do desempenho do bloco e ainda analisar o

conhecimento do escoamento na envolvente do bloco, para diferentes condições hidrodinâmicas.

No presente capítulo é apresentada uma breve introdução ao tema que será abordado no âmbito desta

dissertação, a problemática da erosão costeira e o desenvolvimento de um elemento estrutural de defesa

que será alvo de análise.

No capítulo 2, pretende-se perceber e fazer uma análise sobre o problema da erosão que atinge as regiões

costeiras e possíveis soluções para o mitigar. Deste modo, foi feita uma revisão bibliográfica de

estruturas semelhantes ao SWED-Block, que tenham sido anteriormente alvo de análise e aplicadas em

casos reais para proteção de zonas em risco. Através desta revisão, pretendia-se perceber quais as

características desses modelos que mais afetam a sua eficiência na redução da erosão. Ainda neste

capítulo é feita uma apresentação dos diferentes modelos do SWED-Block testados em laboratório, bem

como a descrição dos resultados experimentais obtidos por Gomes (2017).


3

O procedimento seguido na preparação do modelo numérico está descrito no capítulo 3. Neste capítulo

são apresentados os passos necessários para a aplicação do modelo OpenFOAM - IHFOAM e todas as

considerações tomadas para a melhor reprodução numérica das condições testadas no modelo físico.

Ainda neste capítulo realizou-se uma revisão de trabalhos anteriores em que tenham sido aplicados

modelos numéricos avançados baseados nas equações de RANS – Reynolds Average Navier-Stokes.

No quarto capítulo são descritos os resultados e as respetivas análises das simulações efetuadas para o

modelo liso e rugoso do SWED-Block.

Finalmente, no quinto capítulo, são apresentadas as conclusões retiradas das análises efetuadas ao longo

da presente dissertação, bem como propostas para desenvolvimentos futuros.


4


5

2 A EROSÃO COSTEIRA E POSSÍVEIS SOLUÇÕES

2.1. INTRODUÇÃO

A erosão costeira é um fenómeno que afeta a linha de costa e é causadora de graves problemas sociais

e económicos. Neste sentido, esta dissertação pretende estudar um novo bloco de defesa (o SWED-block)

capaz de dar uma resposta positiva a alguns dos problemas. No presente capítulo irá ser feita uma breve

caracterização deste fenómeno e apresentadas soluções estudadas e aplicadas no passado, tendo em vista

a otimização desse bloco de proteção.

A erosão costeira pode ser causada por diversos fatores, o que pode levar a que os seus efeitos nas zonas

sujeitas à ação da agitação marítima possam ser diferentes. Os efeitos da erosão que mais se destacam

são os que se verificam ao longo da linha de costa, isto é, os efeitos longitudinais e os que se observam

perpendicularmente à linha de costa, os efeitos transversais.

As medidas preventivas ou de mitigação a serem consideradas para aplicação podem variar consoante o

tipo de intervenção necessária e as características existentes no local da erosão. As medidas de

intervenção para controlo local da erosão são frequentemente divididas em dois tipos: pesadas e ligeiras

(van Rijn, 2011). Sendo assim, ainda neste capítulo, será feita uma revisão bibliográfica das intervenções

possíveis para controlo da erosão, tendo por objetivo perceber as potencialidades e as limitações de cada

uma das soluções apresentada.

2.2. CARACTERIZAÇÃO DA EROSÃO COSTEIRA

2.2.1. INTRODUÇÃO

A erosão costeira é responsável por situações preocupantes nas regiões costeiras, tendo uma elevada

influência na modelação da linha de costa e na alteração das paisagens naturais como são o caso das

dunas, praias e arribas. Assim, para se perceber quais serão as melhores formas de mitigar estes

problemas, é necessário saber que tipo de consequências a erosão tem na dinâmica costeira e na

morfologia dos diferentes locais erodidos. Recentemente tem surgido uma crescente preocupação com

a influência que as alterações climáticas têm ao nível da erosão costeira, no entanto, este é um processo

natural que sempre existiu e, nesse âmbito, está diretamente associado às marés, à ação do vento, à ação

das ondas e ao transporte de sedimentos, sendo que neste caso é considerado como um fator negativo se

houver uma diferença negativa entre os sedimentos que afluem às zonas costeiras e os que são

transportados pela deriva litoral.

Nos últimos anos tem sido atribuída alguma responsabilidade às alterações climáticas pela subida geral

da temperatura no planeta (Agência Europeia do Ambiente, 2017), o que por efeito leva à subida do


6

nível médio da água do mar por degelo de calotes polares e da neve, aumentando o volume de água

existente nos oceanos em estado liquido.

Sendo que a ação das marés consiste na oscilação periódica do nível médio da água do mar e pelas

correntes de maré que atuam nos estuários e embocaduras de rios e nas zonas adjacentes, a subida do

nível médio da água do mar provocada pelo aumento de volume de água, leva a uma alteração da

interação das correntes marítimas com as correntes fluviais. Os estuários e as embocaduras de rios são

locais onde normalmente ocorre a transposição dos sedimentos aluvionares de origem fluvial para as

correntes marítimas, sendo que este aumento do nível médio da água do mar pode levar a que a corrente

fluvial deixe de ter capacidade de movimentar os sedimentos para a deriva litoral. De modo a dar

resposta a estas ações, estes locais têm tendência a tornarem-se locais de deposição e não de circulação

de sedimentos (Dias, 1993).

Para agravar a situação, o transporte sedimentar que aflui às praias tem sofrido alterações significativas

ao longo dos anos, contribuindo para que em algumas situações exista um balanço negativo de

sedimentos. As interrupções dos leitos fluviais originadas pela construção de aproveitamentos

hidroelétricos e obras de regularização de cheias e as albufeiras associadas, fazem com que os

sedimentos fiquem aí retidos, impossibilitando-os de chegarem aos estuários e serem posteriormente

levados pelas correntes até ao mar. A capacidade de regularização de cheias das barragens também pode

diminuir o transporte de sedimentos porque implica alterações nos caudais de cheia. Esses caudais estão

diretamente associados a um maior valor de material sólido por terem maior capacidade de arrastamento.

Portanto, a regularização de caudais em albufeiras pode originar menos sedimentos transportados em

caso de cheias. No caso de Portugal, as atividades antrópicas como a dragagem de material sedimentar

de rios e estuários para fins económicos e a necessidade de retirar material dos canais de navegação

onde ocorra sedimentação por razões de segurança e operacionalidade são fatores agravantes deste

défice sedimentar nas regiões costeiras (Veloso Gomes, 2014).

O vento é um fenómeno natural caracterizado pela movimentação de elevadas quantidades de ar e a sua

ocorrência é capaz de originar flutuações do nível médio da água do mar e ondas. As tempestades mais

severas e situações meteorológicas extremas, estão associadas a ventos fortes, em que a sua combinação

tem um contributo significativo na estabilidade de estruturas de defesa costeira para além de

intensificarem a erosão. A ação do vento tem também a capacidade de interferir e moldar as zonas

emersas das praias e das dunas (Veloso Gomes, 1993).

A ocorrência de tempestades severas tem como consequência uma redistribuição dos sedimentos

existentes, sendo que normalmente ocorre erosão das dunas e uma alteração no perfil transversal da

praia. Isto deve-se ao galgamento destas áreas pelo mar e pela capacidade de transporte de sedimentos

destes locais para as zonas imersas do mar. Tratando-se de um processo natural que se tem vindo a

verificar ao longo do tempo, foi-se observando que após estes eventos, o perfil da praia iria sendo

gradualmente reposto, embora nunca ficaria igual ao existente antes da ocorrência da tempestade (Fig.

1). O perfil transversal das praias tem tendência a reduzir gradualmente com o tempo, devido à escassez

de sedimentos disponibilizados pelas correntes fluviais, o que obriga a medidas de mitigação em zonas

de maior risco.


7

Fig. 1 – Esquema geral do fenómeno de erosão costeira provocada por uma tempestade (Charlier e De Meyer,

1998)

Considerando o que foi anteriormente referido, é fácil perceber que a erosão costeira que atualmente se

faz sentir por todo o planeta, inclusive a que ocorre em território português, tem varias causas. Embora

algumas dessas causas sejam provocadas por fenómenos naturais, como é o caso das marés, do vento ou

a ação das ondas, deve-se ter em consideração que as atividades antrópicas apresentam o maior

contributo na erosão (Dias, 1993). Este facto deve-se à ação direta do homem, pela construção de

esporões ou quebramares que podem originar erosão a sotamar, o intenso desenvolvimento urbano da

faixa litoral, a extração de material sedimentar, ocupação ou destruição de áreas dunares e de vegetação,

mas também indiretamente, pelo contributo que as atividades humanas têm vindo a apresentar no

agravamento das condições climáticas, observado pela subida do nível médio da água do mar, subida da

temperatura média ou o aumento da frequência, duração e intensidade das tempestades (Agência

Europeia do Ambiente, 2017). Os efeitos resultantes da ocorrência deste fenómeno são facilmente

observados pelo recuo da linha de costa e pelas constantes alterações dos perfis transversais das praias

associadas a uma diminuição da largura de praia (Veloso Gomes, 1993).

2.2.2. TRANSPORTE LONGITUDINAL

Os efeitos de erosão longitudinais, caracterizados pela ação de transporte de sedimentos de barlamar

para sotamar, ao longo da linha de costa, resultam do défice sedimentar originado pela menor acreção

de areias a barlamar. No caso de Portugal, esta movimentação de sedimentos ocorre em geral de norte

para sul.

Como foi anteriormente referido, esta ação erosiva está diretamente associada à menor afluência de

sedimentos de fontes aluvionares, sendo que esta faz com que a deriva litoral não tenha capacidade de

ir repondo a barlamar a quantidade de sedimentos que vai transportando para sotamar, originado um

grave défice de areias em certos locais. Este défice nas quantidades de areia movimentadas tem vindo a

causar a diminuição de volume de areia disponível nas praias, sendo que em algumas regiões essa areia

é a primeira linha de defesa de povoações. Sem essa linha de defesa, ou com a diminuição desta, a ação

marítima é cada vez mais capaz de atingir as povoações e provocar danos económicos e sociais. No caso

de Portugal, por exemplo, a linha de costa do distrito de Aveiro apresenta debilidades sérias que têm

sido alvo de estudos intensivos. Esta situação é provocada pela construção do quebramar norte do Porto

de Aveiro (Fig. 2), que retém parcialmente os sedimentos a barlamar, bem como dos sucessivos esporões


8

existentes, impossibilitando que a deriva litoral transporte os sedimentos para sotamar, onde se

encontram as praias com problemas graves de erosão por falta de areia, resultando num balanço

sedimentar negativo (EUROSION, 2006).

Fig. 2 – Campo de esporões a sul do Porto de Aveiro, sendo possível observar a erosão a sotamar de cada

esporão (Google Maps, 2018)

De facto, as intervenções mais comuns com impacto ao nível do transporte longitudinal de sedimentos,

são os esporões e os quebramares enraizados na costa. Estas construções interrompem a normal

movimentação de sedimentos ao longo da costa, o que resulta numa acumulação de sedimentos a

barlamar destas estruturas. No entanto, estas mesmas estruturas também são responsáveis pela erosão

das praias a sotamar das mesmas, pois ao reterem os sedimentos a barlamar irão provocar erosão a

sotamar.


9

Fig. 3 – Resultado da implantação de um esporão com acumulação de sedimentos a barlamar e erosão a

sotamar (Veloso Gomes, 2014)

Essa erosão está também associada a diferentes ângulos de incidência das ondas, sendo que uma

propagação das ondas quase perpendicular à praia origina menor acreção a barlamar e erosão a sotamar

mais próxima da estrutura, ao contrário do que se verifica para um ângulo menor de incidência das ondas

(Fig. 3).

2.2.3. TRANSPORTE TRANSVERSAL

Os efeitos transversais resultantes da erosão costeira são, na sua maioria, provocados pela ação das ondas

e das correntes marítimas que, de uma forma combinada, são capazes de movimentar elevadas

quantidades de areiaa na direção perpendicular à linha de costa. Uma vez que a erosão longitudinal

consiste no transporte de sedimentos pela deriva litoral de barlamar para sotamar, as alterações negativas

na morfologia costeira são graduais, exceto nos casos em que haja interrupção nesta movimentação pela

existência de obras capazes de reter sedimentos a barlamar. Por sua vez, os efeitos associados à erosão

transversal podem ser observados com maior frequência. A subida do nível médio da água do mar

também constitui um fator agravante destas ações pois as ondas passam a aproximar-se mais da linha

de costa, causando uma redistribuição transversal dos sedimentos que pode originar a destruição

completa das dunas e o recuo de praias.

Nesta situação, a movimentação de sedimentos não se dá ao longo da costa como no caso da erosão

longitudinal, mas sim para o largo. Habitualmente este processo natural é reversível, pelo que as areias

removidas são normalmente repostas na praia ao fim de pouco tempo. Normalmente isto acontece em

condições de agitação marítima e marés normais, sendo que os eventos meteorológicos extremos são os

que possibilitam uma maior alteração do volume de areia existente devido a serem eventos com uma

duração relativamente curta, mas altamente energéticos (Fig. 4). Um exemplo deste tipo de eventos são

as tempestades extremas que, embora não sejam tão frequentes, a sua ocorrência provoca grandes

oscilações no nível médio da água do mar e ondas de elevada altura com energia capaz de transferir para


10

o largo grandes quantidades de areia. Caso essa areia não seja reposta após a passagem da tempestade,

ocorrerão profundas mudanças na praia afetada. As tempestades na grande maioria das vezes ocorrem

durante o período de Inverno, pelo que no período de Verão, a agitação marítima menos intensa propicia

que as alterações no perfil transversal da praia ocorridas durante o Inverno sejam aligeiradas pela

reposição de areias na praia. O maior problema associado a este processo é a eventualidade da reposição

de areias não se verificar, o que leva a que as alterações provocadas nas praias não sejam recuperáveis.

Para fazer face a esta possibilidade devem implantar-se medidas de mitigação que consigam, pelo

menos, atenuar as consequências da passagem destas tempestades em zonas de maior risco.

Fig. 4 – Imagens da passagem da tempestade de 5 de Junho de 2016 em Collaroy Beach, Sydney, Austrália

(Business Insider, 2016): antes (esquerda) e depois (direita)

2.3. MEDIDAS DE MITIGAÇÃO DA EROSÃO COSTEIRA

2.3.1. INTRODUÇÃO

A erosão costeira é um problema que merece uma atenção especial, sendo cada vez mais difícil fazer

face a esta situação, o que tem obrigado a repensar e a estudar novas medidas de a mitigar. As atividades

humanas aliadas a uma maior imprevisibilidade climática contribuíram para um agravamento desta

situação.

A ação humana em zonas costeiras tem um longo historial visto tratar-se de áreas especialmente atrativas

do ponto de vista económico e social. A proximidade com o mar permitiu desde logo a exploração destas

regiões para fins de turismo balnear, pesca, desenvolvimento de portos e atividades recreativas e de

lazer. As más práticas ou a ausência de um planeamento urbanístico eficiente para estas zonas, resultante

de um pensamento a curto prazo movido por fatores económicos, que se prolongou por um longo

período, contribuiu para que nos dias de hoje existam diversas zonas consideradas como de risco. Para

além desta ação direta por parte do Homem, também a sua ação indireta que lhe é imputada pelas

alterações climáticas tem vindo a resultar em mudanças constantes das praias. A subida do nível médio

da água do mar e uma maior instabilidade associada à ocorrência de condições meteorológicas extremas

são dois dos principais fatores resultantes das alterações climáticas que têm vindo a agravar a erosão

costeira (Agência Europeia do Ambiente, 2017).

A existência de aglomerados populacionais e outras edificações de elevada importância em zona de risco

devido às consequências da erosão, obriga a que se estudem formas de mitigar essas consequências e

proteger as regiões mais debilitadas, de modo a que não seja necessária a retirada dessas zonas.

Existem dois tipos de intervenções de proteção costeira classificadas como pesadas (“hard”) ou ligeiras

(“soft”), como é possível observar na Fig. 5, ambas consideradas como as soluções tradicionais. As

intervenções pesadas (isto é, que utilizam estruturas rígidas) resultam numa maior alteração da paisagem

natural e apresentam uma maior complexidade de aplicação dadas as suas dimensões características e


11

as condições necessárias à execução em obra. Estas soluções de proteção costeira são as que têm sido

mais frequentemente utilizadas desde que os efeitos de erosão começaram a criar a necessidade de

proteger determinados locais de interesse. Todavia, são alvo de alguma polémica junto das populações

e de instituições locais devido aos impactos negativos que estas têm na natureza. Os quebramares

destacados, esporões, as estruturas longitudinais aderentes ou os revestimentos com enrocamento são

alguns exemplos deste tipo de intervenções.

Por outro lado, as intervenções consideradas ligeiras são uma alternativa mais amigável do ponto de

vista paisagístico para além de terem frequentemente menores custos e serem mais facilmente aplicadas

(van Rijn, 2011). A alimentação artificial de praias com areias é um exemplo deste tipo de solução,

tendo sido executada em diversos locais na Europa, que se encontram afetados pela ausência de

sedimentos. A construção de recifes artificiais, a reconstrução ou a estabilização de dunas já existentes

e a combinação de materiais geossintéticos com as areias das praias, são exemplos de intervenções

menos intrusivas para o meio natural e para a paisagem, algumas das quais reversíveis.

Fig. 5 – a) Obra de estabilização de dunas (Veloso Gomes, 2014); b) estrutura longitudinal aderente de betão em

Glifoneri, Península de Kasandra, Grécia e c) campo de quebramares destacados em Gombo, Itália (Pranzini et

al., 2015)

Como foi referido, a alimentação artificial de praias com areias é uma intervenção ligeira, com bastante

potencial. No entanto, dado a facilidade com que os sedimentos colocados podem ser novamente

arrastados leva a que sejam estudadas possibilidades de combinação deste tipo de intervenção com

estruturas que facilitem a manutenção dos sedimentos lá colocados. Desta forma, a colocação de recifes

artificiais ao largo da costa pode configurar-se como uma possibilidade de complementar a alimentação

artificial com areias.


12

O estudo da aplicação destes recifes artificiais tem por base os recifes naturais, possíveis de observar

em certos locais. A colocação destes recifes está dependente da utilização de estruturas modulares,

colocadas ao largo, atuando sobre a agitação marítima, promovendo uma dissipação de energia das

ondas por rebentação. Estas estruturas, ao provocarem uma diminuição na capacidade erosiva das ondas,

permitem, portanto, uma redução dos efeitos da erosão costeira. Usualmente, estes elementos são

colocados submersos em relação ao nível da água do mar, tendo um impacte quase nulo na paisagem,

visto que se estiverem submersos não são visíveis a partir da linha de costa, o que confere um fator

positivo para a aplicação deste tipo de estruturas. Estes elementos são, na maior parte dos casos, pré-

fabricados em betão e, dependendo das suas configurações de projeto, podem possibilitar o

desenvolvimento de fauna e flora no seu interior ou na sua envolvente, estando assim a contribuir para

o ecossistema marinho e diminuindo o impacto da sua aplicação na natureza. Com o objetivo de estudar

a sua utilização, algumas destas propostas foram aplicadas em locais afetados por erosão com o intuito

de melhorar o conhecimento quanto à sua aplicabilidade e probabilidades de sucesso. De seguida, serão

apresentados alguns exemplos dos referidos elementos modulares, que foram a base para a conceção de

um novo bloco para proteção costeira, que pretende, idealmente, combinar o que cada solução tem de

mais positivo.

2.3.2. SURGEBREAKER

O Surgebreaker (US Army 1981, Kakuris 1983) é um elemento modular pré-fabricado em betão armado

com um peso aproximado de 20 kN (Fig. 6). Trata-se de um modelo patenteado, de base retangular e

com geometria definida, tendo 1.2 m de altura e largura e ainda 1.8 m de comprimento. O Surgebreaker

é constituído por três aberturas que atravessam o corpo do elemento, de um lado ao outro, conferindo-

lhe uma maior capacidade de dissipação da energia das ondas por rebentação. Estes blocos foram

projetados para serem dispostos lado a lado, tipicamente em zonas pouco profundas (1 a 2.5 m de

profundidade), assentes diretamente sobre o fundo marítimo, sem necessidade de fundações. A sua

colocação é geralmente feita com o auxílio de helicópteros.

Fig. 6 – Exemplo de um Surgebreaker (U.S. Army Corps of Engineers, 2004)

As partes inclinadas destes elementos, bem como as aberturas existentes, têm o objetivo de absorver

uma parte da energia das ondas para prevenção de erosão da linha costeira, mas ao mesmo tempo

deixando que uma parte dessa energia se propague através da estrutura para promover o transporte de

sedimentos para a costa (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Também será expectável


13

que essa mesma permeabilidade evite o assentamento da estrutura, que geralmente acontece com

estruturas de paramento impermeável, visto que essas aberturas permitirão a acreção de sedimentos tanto

a barlamar como a sotamar do Surgebreaker (Pilarczyk e Zeidler, 1996).

Fig. 7 – Dimensões do Surgebreaker (adaptado de Pilarczyk e Zeidler (1996), retirado de Gomes (2017))

Em vários locais dos Estados Unidos da América, particularmente no Golfo da Flórida, no Lake Forest

e ainda em alguns locais do estado do Illinois, durante as décadas de 70 e 80 do século XX, utilizou-se

esta solução para proteção costeira, tendo apresentado resultados satisfatórios para condições de

agitação marítima suaves a moderadas, com alturas das ondas, geralmente, menores do que 1.5 m.

Esta solução foi também testada em Honolulu, Havai, onde a existência de condições de agitação mais

severas conduziu a resultados negativos, pois a ação de ondas de maior altura e a perda de estabilidade

da fundação da estrutura por escorregamento, permitiram concluir que seriam ineficazes nestas

situações.

De seguida, resumem-se as principais potencialidades, mas também as limitações desta solução.

Potencialidades:

Dado o seu baixo peso (20 kN), a sua colocação nos locais desejados é relativamente fácil;

Não é obrigatória a utilização de equipamento flutuante, pois os blocos podem ser colocados por

helicóptero, no entanto, deverá ser feito um estudo sobre qual das opções será a melhor

financeiramente e de mais fácil execução;

Existência de aberturas que facilitam a dissipação de parte da energia da onda.

Limitações:

Ineficaz para condições de agitação marítima muito energéticas;

Colocação em locais de pouca profundidade (1 a 2.5 m de profundidade), e alturas de onda

reduzidas (menores do que 1.5 m);

Ausência de interligação entre blocos, o que pode levar a que saiam da sua posição inicial.


14

2.3.3. WAVEBLOCK

O Waveblock (Fig. 8) é um elemento modular em betão armado, desenvolvido por Haras et al. (1993),

ADI Limited (1991) e Ortech (1988), tendo como objetivo a dissipação de energia das ondas. Esta

estrutura patenteada tem um peso aproximado de 40 kN, é constituído por plataformas horizontais

interligadas por pilares verticais, igualmente espaçadas e arranjadas, como um padrão de xadrez. As

dimensões da base deste elemento são de 1.22 m por 1.83 m e com 2.44 m de altura. As dimensões e o

seu peso podem variar consoante as condições de exposição à agitação marítima, podendo, ainda, ser

construídos com recurso a materiais e mão-de-obra locais.

Fig. 8 – Ilustração esquemática de um Waveblock (retirado de Pilarczyk e Zeidler (1996))

Esta estrutura foi projetada para dissipar a energia das ondas incidentes e simultaneamente reter

sedimentos transportados pelas mesmas.

O sistema Waveblock está operacional no Lake Huron, Canadá, desde 1987, onde foram colocadas 40

unidades destes elementos ao longo de 48.8 m, paralelamente à linha de costa, a uma profundidade de

cerca de 1.0 m. Os trabalhos de monitorização mostraram que o sistema absorbia eficazmente a energia

das ondas e promovia a acumulação de sedimentos na costa, formando uma praia com uma configuração

mais estável. Para além disto, também se verificou que os sedimentos se acumulavam ao largo, sem

afetar o processo de deriva litoral. Estas estruturas encontram-se agora embebidas em areia da praia,

estando a cumprir a função para a qual foram concebidas.

Foi possível observar também que o sistema se encontrava em bom estado de conservação estrutural,

apesar de alguns componentes de betão estarem danificados pela ação do gelo, havendo também sinais

ligeiros de alguma abrasão e ainda alguns blocos fora de posição inicial em cerca de 25 cm. Os locais

em que se verifique perda de sedimentos por deriva litoral e condições de maré e de agitação marítima

menos energéticas, parecem ser as situações mais promissoras para a aplicação destes elementos

(Pilarczyk e Zeidler, 1996).

As potencialidades e limitações deste tipo de sistemas, são as que se seguem.

Potencialidades:

Blocos simples, leves e de fácil aplicação;

Elementos submersos, logo com impacto pouco significativo na paisagem;

Boa capacidade de dissipação da energia das ondas e retenção de sedimentos;

Possibilidade de serem fabricados localmente, evitando problemas de logística.


15

Limitações:

Geometria complexa;

Ineficácia do sistema em condições severas ou extremas, como no caso de formação de gelo, que

poderá causar danos na estrutura;

Potencial problema para atividades recreativas como a pesca ou passeios de lazer.

2.3.4. BEACHSAVER REEF

O Beachsaver Reef, desenvolvido e patenteado pela Info Breakwaters International em 1993, é um

elemento pré-fabricado em betão armado, baseado num quebramar submerso, utilizado para proteção

costeira (Fig. 9). Esta estrutura tem um peso aproximado de 210 kN e atua ao nível da propagação das

ondas, tendo em vista a redução da erosão costeira e o aumento do período de vida dos projetos de

alimentação artificial de praias com areias.

Fig. 9 – Exemplo de um Beachsaver Reef (Pilarczyk e Zeidler, 1996)

Os módulos podem ter configurações diferentes consoante o projeto de intervenção em causa, no

entanto, geralmente, cada exemplar do bloco tem as dimensões aproximadas de 3.0 m de comprimento,

4.6 m de largura e 1.8 m de altura, e são dispostos paralelamente à linha de costa, estando cerca de 1.8

m submersos em relação ao nível médio de baixa-mar. O Beachsaver Reef é colocado no local

recorrendo a gruas ou guindastes instalados sobre plataformas flutuantes, e como este ficará submerso,

eventualmente poderá ser necessário proceder a escavações para regularização dos fundos onde estes

assentarão, ficando todos os elementos com uma submersão uniforme.

Estes módulos estão dotados de algumas características particulares como é o caso da curvatura do

coroamento do lado de sotamar e onde se encontra um defletor. O objetivo desta particularidade é de

facilitar a orientação da onda incidente para as aberturas horizontais existentes nesse defletor. Esta

configuração do coroamento é desginada de “backwash flame” devido à sua função de direcionar um

jato de água vertical para cima durante o fluxo de retorno de onda (Fig. 10). Durante as tempestades,

este fluxo de retorno é capaz de transportar uma elevada quantidade de sedimentos, fazendo com que a

colocação do Beachsaver Reef evite o arrastamento de areias para o largo durante os períodos de agitação

mais severa, promovendo um ciclo de recirculação de areia. A estabilidade do sistema resulta do seu

peso submerso, baixo centro de gravidade e das suas faces extensas e rugosas.

Em 1992 foram realizados testes em New Jersey, nos EUA, no Stevens Institute of Technology, em que

foi possível demonstrar que o Beachsaver Reef limitava a circulação de sedimentos para o largo durante

os períodos de agitação marítima mais energética, promovendo ainda o retorno para a costa nos períodos

de agitação menos energética (Pilarczyk e Zeidler, 1996).


16

Fig. 10 – Ilustração esquemática da ação de um Beachsaver Reef na propagação das ondas (Pilarczyk e Zeidler,

1996)

Com o objetivo de avaliar o Beachsaver Reef em termos estruturais, funcionais e económicos, este bloco

foi testado em 2002, em Cape May Point, Nova Jérsia, EUA, tendo-se obtido resultados satisfatórios na

estabilização da linha de costa. Para o efeito foram colocadas 72 unidades, interligadas, submersas

formando um recife artificial continuo entre esporões (Stauble et al., 2005).

Estudos anteriores referiam que o Beachsaver Reef apresentava uma fraca prestação na minimização da

ação das ondas devido ao facto de a largura do seu coroamento ser insuficiente. Neste caso esse fator

foi desprezado, sendo o objetivo principal dos testes a análise da capacidade destes elementos em reter

areias a sotamar em conjunto com os esporões construídos anteriormente e possíveis assentamentos das

estruturas. Os blocos utilizados nos estudos de aplicação de 2002, tinham uma largura de coroamento

de 0.42 m, ao contrário dos utilizados em 1992, que tinham apenas 0.31 m.

O local a ser intervencionado neste caso, Cape May Point, Nova Jérsia, EUA, caracterizava-se por ter

problemas de erosão costeira há bastante tempo. A monitorização dos resultados mostrou, através da

evolução do perfil da praia e das alterações provocadas na linha de costa, que a instalação destes blocos

provocou uma estabilização da linha de costa, retendo os sedimentos nas áreas pretendidas para o efeito.

Todavia, os resultados mostraram alguns problemas quanto ao assentamento dos blocos, dado que

inicialmente apenas foram colocados sobre uma camada de geotêxtil na fundação. Esta solução foi

posteriormente substituída por sacos de betão, que garantissem a função de filtro e ao mesmo tempo

impedissem os assentamentos dos blocos, visto ser estritamente necessário que os mesmo se

mantivessem a uma profundidade constante.

De seguida, são apontadas as potencialidades e limitações do Beachsaver Reef.

Potencialidades:

Devido a ser uma estrutura submersa, apresenta um impacto pouco significativo na paisagem;

Capacidade de interligação através de encaixes laterais, evitando assim possíveis movimentos

laterais, horizontais ou verticais;

Possibilidade de abrigar organismos marinhos;

A rugosidade a barlamar da estrutura permite uma dissipação de cerca de 30% da energia da onda

e minimizar a reflexão da onda;

A rugosidade nas faces da estrutura, sendo uma estrutura submersa, para além de reduzir a ação

da onda incidente permite ainda reduzir o risco de deslizamento;

Durante as tempestades, potencia um ciclo de retorno de sedimentos para a linha de costa;

Promove a acumulação de areias a sotamar;


17

O peso submerso, o baixo centro de gravidade, a largura e a base com superfície irregular,

conferem características que ajudam a resistir ao derrube e ao deslizamento.

Limitações:

O elevado peso comparativamente com outras soluções semelhantes (210 kN), obriga à utilização

de uma fundação que evite que a estrutura sofra assentamentos, para além de equipamentos

flutuantes capazes de aguentar o seu peso durante a instalação;

A necessidade rigorosa de se manter uma profundidade constante, origina que, por vezes, seja

preciso fazer escavações em certos locais;

Necessidade de mergulhadores aptos para dar apoio à instalação, assegurando o alinhamento e o

encaixe dos vários blocos através das saliências laterais;

Segundo alguns estudos de aplicações anteriores, estes blocos têm uma eficácia reduzida na

atenuação da propagação das ondas incidentes (Stauble et al., 2005);

Pode interferir com atividades de pesca ou recreativas.

2.3.5. DOUBE-T SILL

O Doube-T Sill (Fig. 11) é uma estrutura pré-fabricada em betão, de baixo custo, constituída por uma

laje e dois componentes verticais perpendiculares à base, formando um duplo “T”. Cada estrutura tem

9.14 m de comprimento, 3.66 m de largura e é constituída por componentes verticais com 0.8 m de altura

(desde a base horizontal lisa), pesando cada uma delas cerca de 190 kN. Este tipo de sistemas é usado,

frequentemente, em parques de estacionamento e pontes (Stauble et al., 2005).

Fig. 11 – Colocação de um Double-T Sill em posição de funcionamento (elementos verticais voltados para cima),

com recurso a gruas (Stauble et al., 2005)

Para a utilização destas estruturas como elemento de proteção costeira, estas são feitas com betão com

mais capacidade resistente e mais aptas a opor-se às condições do ambiente marinho. No

desenvolvimento destas estruturas, projetou-se um sistema de interligação para os elementos verticais

(Fig. 12), em que estes são prolongados para fora da laje, possibilitando uma forma de conectar estes

módulos e assegurar um correto alinhamento dos mesmos.


18

Fig. 12 – Sistema de interligação dos elementos do tipo Double-T Sill (Stauble et al., 2005)

Nos testes de 2002 realizados em Cape May Point, Nova Jérsia, o Double-T Sill, para além do

Beachsaver Reef, também foi experimentado, aplicado pela primeira vez como forma de prevenção da

erosão (Stauble et al., 2005).

Estas estruturas foram pré-fabricadas e posteriormente transportadas para o local de aplicação, onde,

através de equipamentos flutuantes, foi possível instalar estes módulos ao largo, com o auxilio de

mergulhadores que asseguraram o alinhamento e a interligação entre as unidades consecutivas. A

instalação deste sistema é semelhante à que foi anteriormente referida para os Beachsaver Reefs.

Neste teste, colocou-se a laje a uma profundidade de 2.7 m em relação ao nível médio da água do mar,

deixando assim as extremidades dos elementos verticais a uma profundidade de cerca de 1.9 m. Não

havendo necessidade de implantar estes módulos a uma profundidade fixa, não foram precisas

escavações, enchimentos ou filtros que pudessem também servir de fundação. Estudos realizados

anteriormente não previam a ocorrência de problemas de assentamentos, no entanto, 6 meses após a sua

instalação verificou-se que ocorreram assentamentos.

Ao fim de cerca de 9 meses, os relatórios mostraram que as unidades Double-T Sill, colocadas sem

filtros, assentaram em média, entre 0.61 e 1.22 m. Importa referir que numa parte da extensão da

intervenção não foi possível medir o assentamento dos módulos por estarem cobertos com areia. Estes

assentamentos não estavam previstos. De facto, cerca de 3 meses após esse relatório, uma nova

monitorização mostrou que apenas uma parte de todo o comprimento ainda estava visível, estando o

resto coberto com aproximadamente 0.61 a 0.91 m de areia.

As análises às alterações de volume de areia na praia e da linha de costa indicaram que os assentamentos

impediram que o quebramar formado por estes módulos acumulasse sedimentos e estabilizasse a linha

de costa, tendo-se verificado que o maior recuo da linha de costa se deu numa zona onde se tinha

aplicado este tipo de bloco.

Ao contrário do Beachsaver Reef, que conseguiu acumular areias do lado da praia e ajudou a estabilizar

a linha de praia, o Double-T Sill não promoveu acreção significativa de areias na praia, tendo,

essencialmente, depositado areias sobre a sua própria estrutura, originando o recuo da linha de costa,

não apresentando um desempenho satisfatório.

A seguir, apresentam-se as principais potencialidades, mas também limitações quanto à utilização destes

blocos.


19

Potencialidades:

Estrutura submersa, com impactos pouco significativos para a paisagem;

Estrutura de baixo custo;

Possibilidade de interligação entre blocos;

Ausência dos fenómenos de deslizamento e de derrube dos módulos.

Limitações:

Geometria pouco eficiente na dissipação da energia das ondas;

Mau desempenho na acumulação de sedimentos em quantidade e nas áreas pretendidas;

Ineficaz na estabilização da linha de costa, permitindo que esta continue a recuar;

Verificaram-se assentamentos elevados num curto período de tempo;

Não promove o desenvolvimento de habitats para o meio marinho.

2.3.6. P.E.P. REEFS – PREFABRICATED EROSION PREVENTION

Um P.E.P Reef (Fig. 13) consiste num bloco pré-fabricado em betão armado, semelhante a um

quebramar submerso e com algumas semelhanças relativamente ao Beachsaver Reef, tendo também um

perfil transversal triangular e, em geral, dimensões idênticas. Este modelo foi projetado pela American

Coastal Engineering em West Palm Beach, Flórida, com a finalidade de estabilizar a linha de costa,

reduzir a energia das ondas em cerca de 40 a 70% e ainda servir de abrigo e habitats para o ambiente

marinho (Cooper e Pilkey, 2012). Esta estrutura tem um peso aproximado de 200 kN, tendo já sido

testada com duas configurações diferentes. Numa das configurações, o modelo tinha 7.32 m de

comprimento, 3.66 m de largura e 1.52 m de altura, sendo que no outro caso tinha 4.57 m de

comprimento, 3.66 de largura e 1.83 m de altura, mantendo-se em ambos a mesma largura de

coroamento de 0.31 m.

Fig. 13 – Bloco P.E.P. Reef (Stauble e Tabar, 2003)

Este sistema foi aplicado em Palm Beach, Flórida, em 1988, através de fundos privados, e novamente,

nesse local, entre 1992 e 1993. No entanto, após a aplicação de 1993, foram removidos foram removidos

devido a ter-se observado um aumento da erosão. Ainda assim, foi novamente testado naquela região,

desta vez em Vero Beach, em 1996, no mesmo estado dos Estados Unidos (Cooper e Pilkey, 2012).

O P.E.P. Reef tem como objetivo provocar uma redução da energia das ondas e a consequente erosão

das praias, promovendo a retenção de sedimentos quando transportados durante as tempestades, para


20

estabilização da linha de costa, mostrando um comportamento semelhante ao Beachsaver Reef. Na

eventualidade de ocorrerem problemas com assentamentos, estes blocos são colocados sobre uma

camada de geotêxtil e outra camada filtrante, tentando assim minimizar esses problemas.

O bloco possui as duas faces inclinadas, em que a face de barlamar tem como objetivo provocar o

espraiamento e rebentação das ondas, tendo no coroamento 3 aberturas como elementos de apoio a esse

processo. Para se investigar o comportamento deste tipo de bloco à reflexão e à dissipação de energia

das ondas, foi desenvolvido e testado um modelo em laboratório.

Nas aplicações existentes deste tipo de sistemas, estes blocos foram colocados consecutivamente,

paralelamente à costa e fixados uns aos outros de modo a se manterem alinhados. Esta colocação e

alinhamento, tal como em casos anteriores, são assegurados pelo uso de equipamentos flutuantes como

gruas ou guindastes e, recorrendo ao auxílio de mergulhadores.

A implantação deste sistema tem por objetivo a redução da energia das ondas incidentes pela rebentação

das mesmas, no entanto, também é importante que tenham capacidade de retenção de sedimentos a

sotamar, para que, posteriormente sejam transportados para a praia, durante a ocorrência de tempestades.

A intervenção realizada em Palm Beach de 1992-1993 era composta por um quebramar com 330

unidades de blocos do tipo Prefabricated Erosion Prevention interligados entre si formando um P.E.P

Reef, ao longo de um comprimento de 1260 m paralelamente à praia. Estes elementos foram colocados

a aproximadamente 3 m de profundidade em relação ao nível médio da água do mar e a cerca de 73 m

da linha de costa, onde existia um muro (Fig. 14). Nesta aplicação, os blocos foram colocados

diretamente assentes no fundo marinho, sem qualquer tipo de camada de fundação.

Inicialmente, o projeto tinha como objetivo aumentar a proteção contra tempestades e criar uma praia

com maior volume de areia a sotamar da estrutura.

A monitorização desta aplicação permitiu concluir que ocorreu uma redução generalizada das alturas de

onda entre 15 a 25%, estimando-se que 5 a 15% dessa redução foi devida à implementação dos blocos

(Dean et al., 1997).

Fig. 14 – Esquema de implantação do P.E.P Reef em Palm Beach, Flórida (adaptado de Dean et al. (1997))

O nível de água do mar apresentado na Fig. 14 tem como referência o NGVD 1929 (National Geodetic

Vertical Datum de 1929, dos EUA), situando-se cerca de 0.58 m abaixo do nível de preia-mar (MHW-

Mean High Water).


21

A ocorrência de assentamentos da estrutura, não expectáveis inicialmente, fez com que a estrutura não

funcionasse como planeado, não dissipando a energia da onda da forma prevista e não estabilizando a

linha de costa.

Os resultados da monitorização destes testes permitiram concluir que esta implantação modificava o

regime da agitação e os padrões de correntes marítimas, no entanto, após dois anos da aplicação

observou-se a ocorrência de erosão na área, essencialmente a sotamar do quebramar, onde a evolução

anual de volumetria indicou um ritmo de erosão 2.3 vezes o que se verificava antes. A aplicação destes

blocos aumentou as correntes longitudinais, agravadas pela água acumulada a sotamar que,

posteriormente, divergia longitudinalmente. O agravamento dos problemas de erosão levou a que estas

estruturas fossem removidas (Dean et al., 1997).

Apresentam-se a seguir as potencialidades e limitações deste sistema.

Potencialidades:

Por se tratar de um bloco submerso, não apresenta um impacto negativo para a paisagem;

Desenvolvimento de fauna e flora, contribuindo para o ambiente marinho;

A geometria do bloco, o peso submerso, a largura e o baixo centro de gravidade ajudam na sua

estabilização.

Limitações:

Comparativamente a outros sistemas idênticos, o seu elevado peso de 250 kN pode obrigar ao uso

de uma fundação que evite assentamentos, e ainda à utilização de equipamentos flutuantes

capazes de os colocar;

Dada a natureza do bloco e a possibilidade de encaixe através de saliências laterais, é necessário

recorrer a mergulhadores que garantam o alinhamento e o encaixe dos mesmos;

A regularização dos fundos para se obter uma profundidade constante necessita de escavações em

certos locais menos profundos;

Incapacidade de estabilização da linha de costa, tendo-se, inclusive, registado recuo da linha de

costa e perda de sedimentos;

Não é muito eficaz na redução da energia das ondas, sendo que reduziu cerca de 15% no caso

aplicado em Palm Beach, devido à sua largura de coroamento, tal como se verificava para o

Beachsaver Reef;

Potencial problema para atividades recreativas.

2.3.7. DRIM – DISTORTED RIPPLE MAT

O bloco designado por DRIM - Distorted Ripple Mat, é um novo conceito para a proteção costeira. Foi

desenvolvido no Japão com a ajuda de várias entidades, destacando-se a Nippon Oil Corporation, e

conta com algumas aplicações nesse país. É um bloco submerso, pré-fabricado em betão, de baixa altura

e em que a sua altura e comprimentos são ajustáveis dependendo do local onde será implementado.

A estrutura deste bloco consiste em vários módulos pré-fabricados que encaixam uns nos outros, criando

uma superfície distorcida irregular no fundo do mar. O funcionamento característico deste sistema

consiste na formação de dois vórtices assimétricos, criando uma corrente de fundo na direção

perpendicular à costa, potenciando o transporte de sedimentos desses fundos, onde a sua concentração

é elevada, para as áreas mais próximas da costa (Fig. 15).


22

Fig. 15 – Esquema de montagem e funcionamento de um Distorted Ripple Mat – DRIM (adaptado de Pilarczyk

(2010))

As condições hidráulicas para as quais o sistema permite controlar o transporte sedimentar mais

eficazmente foram estudadas experimental e numericamente. Por exemplo, a capacidade para reter

sedimentos foi testada em laboratório (Pilarczyk, 2005), tendo o bloco sido posteriormente aplicado em

condições reais, em Ashiya Beach, Japão, em 2004.

O local de instalação do sistema é próximo da embocadura do Rio Onda, onde existem 7 quebramares

destacados. Foi montado um protótipo do sistema DRIM ao largo, em alto mar, numa das aberturas

existentes entre os dois quebramares, a uma profundidade de 3.5 m.

Para este ensaio em particular, em Ashiya Beach, no Japão, o sistema DRIM apresentava as dimensões

de 23 m na direção perpendicular à costa, (sendo composto por 15 blocos), e 12 m na direção paralela à

costa, (constituído por 12 blocos). Considerando o esquema apresentado na Fig. 15, os blocos utilizados

têm 1.5 m de comprimento (λ), 0.27 m de altura (η), correspondente a meia altura do bloco, 1.0 m de

largura e 0.6 m de altura total. No entanto, estas dimensões poderão ser alteradas conforme as

características do meio onde estes blocos serão aplicados.

Na Fig. 16 é possível observar o comportamento do DRIM, auxiliando a estabilização de uma praia após

esta ter sido alimentada com areia.

Fig. 16 – Desenvolvimento de um perfil de praia estável por utilização do DRIM (adaptado de Pilarczyk (2010))

Este bloco possui as seguintes potencialidades e limitações.


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Potencialidades:

Diminui os efeitos da erosão, potenciando a acreção de sedimentos e consequente aumento do

volume de areia na praia;

Por se tratar de um bloco submerso, este terá pouco impacto visual na paisagem da praia;

Limitações:

A superfície da base lisa não é a mais adequada para evitar a ocorrência de deslizamento;

Não promove a dissipação de energia de ondas, sendo mais indicado para auxílio à retenção de

sedimentos e revestimento.

2.3.8. REEF BALL

A Reef Ball (Fig. 17) é uma estrutura patenteada, pré-fabricada em betão, que reproduz o efeito dos

recifes naturais de coral. Estes elementos estão dotados de aberturas com diferentes tamanhos e formas,

propiciando o desenvolvimento de habitats no seu interior e envolvente, contribuindo para a melhoria

do ambiente marinho. Este sistema é relativamente inovador quando usado como quebramar submerso

para proteção costeira, visto que, inicialmente, seria usado para recuperação de recifes ou criação de

novos recifes, tendo-se verificado ter potencial como bloco de proteção costeira, atenuando as alturas

de onda e ajudando na estabilização da linha de costa. Estas estruturas foram projetadas para serem

simples e de fácil colocação nos locais de intervenção. Tratando-se de módulos pré-fabricados são

transportados para o local onde a sua arrumação pode ser feita usando equipamentos flutuantes, sendo

para isso apenas necessário um meio de transporte apropriado. Existem várias formas e tamanhos destes

blocos, possibilitando uma diferente utilização conforme o tipo de intervenção pretendida.

Fig. 17 – Reef Balls utilizadas como quebramar submerso na intervenção da Ilha Grande Caimão (Harris, 2003)

As primeiras aplicações deste tipo de sistema foram baseadas em experiências de projetos anteriores de

menores dimensões. Desde então, tem surgido nova informação com critérios de dimensionamento e de

utilização destes módulos, com resultados de estabilidade obtidos através de ensaios experimentais

(Pilarczyk, 2010).

Em 2002, numa intervenção na Ilha Grande Caimão, foi construído um quebramar submerso composto

por 200 Reef Balls. O objetivo desta intervenção era de procurar estabilizar a linha de costa e aumentar


24

a largura de praia disponível, ajudando ainda na criação de habitats e melhoria das condições marinhas

no local, tornando-se uma atração turística para mergulhadores.

A aplicação destes módulos como um quebramar submerso permite reduzir a ação das ondas que chegam

à costa, auxiliando à estabilização da praia. A particularidade destes sistemas serem submersos permite

a propagação de ondas mais pequenas capazes de transportar sedimentos para a praia.

Cada unidade utilizada neste projeto em particular tem um peso aproximado de 20 kN, e foram

instalados, inicialmente, sobre uma camada rochosa com alguma areia, de modo a evitar problemas de

assentamentos. De modo a reduzir a possibilidade de deslizamento, foram usadas mangas de fibra de

vidro pré-fabricadas nas Reef Balls, podendo ser amarradas ao fundo do mar, aumentando assim a

resistência ao deslizamento. Pode ainda encher-se cerca de um terço do seu volume com rochas de modo

a aumentar o seu peso.

Para este caso foram utilizadas Reef Balls ao longo de um trecho costeiro com aproximadamente 44 m

de comprimento e uma largura de 9 m, a uma profundidade de 1.22 m a 1.67 m. Cada unidade usada

neste teste tem 1.83 m de largura de base, 1.37 m de altura, um peso aproximado de 20 kN, um volume

interior de 0.76 m3 e pode ter ainda, entre 29 a 34 aberturas.

Os estudos começados em 2002 e concluídos em 2003, permitiram concluir que houve uma crescente

acreção de sedimentos na praia, após a instalação destes blocos, tendo-se verificado um aumento da

praia em cerca de 4.6 m. No entanto, a agitação marítima verificada pouco antes da conclusão dos

estudos, fez a praia recuar e perder largura, acreditando-se que com a época de furacões e tempestades

a erosão pudesse piorar ainda mais. Neste caso, o propósito para o qual as Reef Balls foram aplicadas

foi cumprido, pois observou-se a acumulação de sedimentos na praia e estabilização da linha de costa,

todavia, estas revelaram-se ineficazes em situações meteorológicas severas ou extremas. Durante a

ocorrência destas situações, estes elementos mostram-se ineficientes, pois com o aumento do nível

médio da água do mar e da consequente profundidade de submersão, deixam de ter capacidade de

atenuar a propagação das ondas, impedindo que estas causem erosão na praia (Harris, 2003).

Esta estrutura possui as seguintes potencialidades e limitações.

Potencialidades:

São utilizadas como quebramares submersos, não apresentando um impacto negativo na paisagem

da praia;

Propicia o desenvolvimento marinho no seu interior e na envolvente;

Auxilia a estabilização da linha de costa;

Formação de recifes artificiais incentivando o turismo de mergulho;

Facilidade de execução e transporte para o local de instalação.

Limitações:

Ineficácia perante situações meteorológicas severas ou extremas;

Comparativamente a soluções idênticas, devido ao seu peso prevê-se que estes sejam facilmente

arrastados;

No caso de não serem ancorados ao fundo, os blocos poderão sofrer assentamentos,

comprometendo parte da sua função, visto que algumas das suas aberturas ficam enterradas em

areia.


25

2.3.9. BEACH PRISM

O Beach Prism (Fig. 18) é um bloco modular pré-fabricado em betão que poderá ser usado como um

quebramar destacado, habitualmente colocados paralelamente à linha de costa, espaçados de 0.60 m e a

uma profundidade de água aproximada de 0.60 m. Estes blocos foram desenvolvidos nos finais dos anos

80 para utilização como elemento de proteção costeira e foram aplicados em vários locais, encontrando-

se em utilização desde 2018. A sua utilização está autorizada por entidades como o Departamento de

Recursos Naturais e ainda pelo U.S.A.C.E. Estes módulos estão disponíveis em diferentes tamanhos, no

entanto, existem dois modelos mais comuns. Um dos modelos tem aproximadamente 1.22 m de altura,

1.22 m de largura e 3.05 m de comprimento, com um peso de cerca de 42 kN, tendo sido usado em

Chesapeake Bay, EUA, enquanto que o outro tem cerca de 1.83 m de altura, 1.83 m de largura e 3.20 m

de comprimento.

Fig. 18 – Exemplo de um Beach Prism (beachprisms.com)

A superfície parabólica e as aberturas do bloco são características que lhe conferem capacidade de

dissipação da energia das ondas, pois a propagação das ondas é atenuada pelo seu embate com a

superfície parabólica do Beach Prism, provocando a rebentação e desvio da onda, reduzindo assim a

energia com que as ondas chegam à praia. As aberturas possibilitam que as ondas arrastem sedimentos

para sotamar, prevendo-se que na ocorrência de tempestades estes possam ser transportados para a praia

auxiliando a estabilização da linha de costa. Estes módulos potenciam também o desenvolvimento de

recifes artificiais, fornecendo habitats para animais marinhos, havendo indícios do aumento da

quantidade de peixes nas áreas onde os Beach Prisms foram implantados. Em alguns casos, a aplicação

destes blocos resultou num aumento de volume de areia e consequente aumento de largura da praia. No

entanto, os resultados poderão variar conforme os locais de implantação e condições de agitação

marítima (Lane, 2007).

Em 2007 foi finalizado um relatório para o Departamento do Ambiente de Maryland, EUA, quanto à

utilização destes blocos, em 1989, em Terrapin Nature Park, EUA, ilustrando resultados bastante

promissores (Lane, 2007). Apesar de durante este período ter sido submetido a condições adversas e à

passagem do Furacão Isabel, verificou-se que os blocos praticamente não tinham alterado a sua posição

em relação à inicial.

Anteriormente à intervenção, neste local não se verificava retenção de sedimentos, sendo que após a sua

instalação, estima-se que tenha acumulado aproximadamente 3800 m3 de areia, criando uma praia de

cerca de 11000 m2 de área, tendo a linha de costa avançado cerca de 12 m em relação à referência anterior

(Lane, 2007).

Deste modo, constatou-se para este caso, que o Beach Prism auxilia na acumulação de sedimentos a

sotamar e consequente diminuição dos efeitos da erosão costeira.


26

De seguida, apresentam-se algumas potencialidades e limitações do Beach Prism.

Potencialidades:

Acumulação de sedimentos nas praias;

Estabilização da linha de costa;

Aptidão para dissipar alguma energia das ondas;

Se comparados com os anteriormente referidos, o facto de serem relativamente leves e colocados

perto da costa, facilita a sua instalação;

Potencia o desenvolvimento de fauna e flora na sua envolvente.

Limitações:

Utilização mais apropriada em baías ou lagos, onde a agitação marítima é menos energética;

Bloco parcialmente submerso, tendo um maior impacto na paisagem, quando comparado com

outros semelhantes;

A aplicação dos blocos diretamente no fundo, pressupõe que no caso da sua aplicação em

ambientes mais agressivos, estes possam ser movimentados.

2.3.10. WAD - WAVE ATTENUATION DEVICE

O WAD – Wave Attenuation Device é um elemento modular pré-fabricado em betão, com uma forma

piramidal truncada, oco, com aberturas nos seus três lados e uma na face superior, desenvolvido para

proteção e estabilização de praias (Fig. 19). Estes blocos, patenteados pela Coastal Engineering, Inc,

para os quais a Living Shoreline Solutions possui os direitos exclusivos de licença de aplicação a nível

mundial, são ajustáveis para uma reorganização dinâmica das praias (Living Shoreline Solutions Inc.,

2018).

A aplicação destes módulos pré-fabricados tem como objetivos a criação de recifes artificiais, o

restabelecimento da linha de costa, a restauração de dunas e a proteção de infraestruturas como estradas

e pontes. Os WADs têm um impacto ambiental reduzido devido à sua estrutura oca e perfurada, o que

permite o aparecimento de habitats para os organismos marinhos. Estes blocos não têm dimensões

uniformizadas, sendo projetados de acordo com as condições específicas do local de implementação,

podendo-se encontrar parcial ou totalmente submersos. Estes blocos atuam como um quebramar

destacado, dissipando parte da energia das ondas incidentes.


27

Fig. 19 – Exemplo de um WAD a ser posicionado no local de intervenção (Living Shoreline Solutions Inc., 2018)

Os WADs foram dimensionados para uma intervenção específica em Pensacola Bay, Flórida, em 2003,

tendo como dimensões a base quadrática de 3.66 m por 3.66 m e 1.52 m de altura, e foram colocados a

uma profundidade de aproximadamente 1.5 m em relação ao nível médio da água do mar. Pouco tempo

após a sua instalação, esta zona foi atingida pelo furacão Ivan de categoria 4, e posteriormente pelo

furacão Katrina, tendo os blocos mantido a sua posição, demonstrando uma boa resposta a furacões

desta dimensão.

A 25 de Julho de 2007 foi realizado um estudo para determinar a eficiência da implementação destes

blocos quanto à sua influência na redução da altura e energia das ondas. Para tal, foram medidas, em

simultâneo, as condições da propagação das ondas fora e dentro das zonas protegidas pelos blocos. Foi

possível quantificar o funcionamento dos WAD ao nível da redução da altura e energia das ondas,

comparando os resultados obtidos para as zonas protegidas com os das zonas desprotegidas. Este estudo

de apenas um dia foi definido para examinar o funcionamento dos modelos sob condições específicas

de propagação das ondas, não se objetivando estudar o seu desempenho a longo prazo, para variadas

condições de agitação marítima. Foram também recomendadas neste relatório medições para o

desempenho a longo prazo e modelação numérica.

Para a configuração dos blocos utilizada no projeto, foi possível perceber visualmente que estes

reduziam a altura e energia de onda, verificando-se níveis de água do mar menores a sotamar dos blocos.

Os resultados obtidos para os diferentes locais da área protegida permitiram concluir que os WAD

reduziram a altura das ondas e dissiparam parte da energia das mesmas, verificando-se reduções, em

média, de 85% da altura das ondas, e superiores a 90% da energia das ondas, Fig. 20 (Wang, 2007).


28

Fig. 20 – Resultados relativos à redução da altura e energia de onda (Wang, 2007)

Os blocos WAD foram também aplicados em Negril, Jamaica, em 2009, com base quadrática com 3.05

m de lado e 1.37 m de altura, encontrando-se totalmente submersos na preia-mar e parcialmente

submersos na baixa-mar. Foram colocadas 160 unidades, a uma distância de aproximadamente 44 m de

uma propriedade existente próxima da água.

Um relatório efetuado em março de 2010 concluiu que a sua colocação promoveu a acreção de

sedimentos e o aumento da largura da praia, Fig. 21 (Living Shoreline Solutions Inc., 2018).

Fig. 21 – Comparação das cotas obtidas antes e depois da instalação dos blocos WAD (Living Shoreline

Solutions Inc., 2018)

De seguida, apresentam-se as potencialidades e limitações deste bloco.

Potencialidades:


29

Redução da altura e energia das ondas;

Facilidade de colocação, com recurso a equipamento flutuante;

Propicia habitats para organismos marinhos;

Reduzido impacto ambiental;

Acreção de sedimentos nas praias.

Limitações:

Parcialmente submerso, apresentando algum impacto visual;

Apesar de apresentar uma boa resposta a furacões, há ausência de dados quanto à sua capacidade

de resposta face a condições marítimas severas mais frequentes e duráveis.

2.4. O SWED-BLOCK - SUBMERGED WAVE ENERGY DISSIPATION BLOCK

2.4.1. INTRODUÇÃO

Numa perspetiva de minimizar o fenómeno de erosão costeira e os efeitos decorrentes nas zonas afetadas

pela agitação marítima, surgiu o interesse em desenvolver um novo bloco.

O desenvolvimento do SWED-Block – Submerged Wave Energy Dissipation Block teve como base uma

revisão das características dos blocos para proteção costeira existentes e que já tinham sido estudados

ou aplicados em condições realistas. Para tal, foi realizada uma revisão bibliográfica tendo em vista a

elaboração do estado da arte (secção 2.3), que permitiu selecionar os blocos mais promissores para a

finalidade proposta. Esse trabalho possibilitou a recolha de informações sobre os blocos em causa, sendo

possível enumerar as potencialidades e limitações de cada um deles. Deste modo, para cada uma das

soluções foram reunidas informações sobre as características geométricas, funcionamento estrutural e

hidrodinâmico e as condições de implantação, bem como os resultados e as conclusões resultantes de

ensaios experimentais (Gomes, 2017).

Considerando as potencialidades e limitações de cada uma das soluções apresentadas anteriormente, o

Surgebreaker, o Beachsaver Reef e o P.E.P Reefs apresentaram as melhores características para servirem

de base para o desenvolvimento do novo bloco.

Com as 3 soluções referidas, foi possível elaborar uma síntese das características mais significativas a

replicar ou melhorar no desenvolvimento do SWED-Block. Essas características foram:

Peso;

Geometria;

Tipo de fundação;

Submersão;

Modo de dissipação da energia das ondas;

Interligação entre blocos contíguos;

Condições de implantação;

Eficiência na dissipação da energia das ondas;

Eficácia na retenção de sedimentos movimentados;

Atributos especiais.

Em relação ao peso, o Surgebreaker é o que apresenta menor valor (20 kN), sendo que as outras duas

soluções têm ambas um peso aproximado de 200 kN. A geometria triangular do Surgebreaker (2.3.2),

do Beachsaver Reef (2.3.4) e do P.E.P Reefs (2.3.6), foi também aplicada ao SWED-Block. No entanto,

este novo bloco teve como referência, numa fase inicial, as soluções Beachsaver Reef e P.E.P Reefs

quanto às dimensões e inclinações dos taludes de barlamar e sotamar (Fig. 22) (Gomes, 2017).


30

Fig. 22 – Perfil transversal inicial do SWED-Block (Gomes, 2017)

O principal objetivo do SWED-Block do ponto de vista hidráulico é assegurar uma dissipação eficaz da

energia das ondas, sendo que a configuração adotada deverá ser adequada para que tal ocorra. Posto isto,

é importante que o paramento de barlamar do bloco seja projetado para promover essa dissipação de

energia, visto ser o primeiro obstáculo à propagação das ondas. Recorrendo a uma análise das três

soluções de referência, o Surgebreaker, o Beachsaver Reef e o P.E.P Reefs, em relação à configuração

do seu paramento de barlamar, verificou-se que o Surgebreaker apresentava uma superfície rugosa,

enquanto o Beachsaver Reef e o P.E.P Reefs exibiam uma superfície porosa. Deste modo, o SWED-

Block foi construído e testado para três configurações diferentes: paramento liso, rugoso e poroso, que

serão apresentados a seguir (Gomes, 2017).

O coroamento é um elemento integrante de dois dos três blocos, o Beachsaver Reef e o P.E.P Reefs, e

apresenta funcionalidades hidráulicas importantes. Através do trabalho de pesquisa realizado, observou-

se que a largura do coroamento do bloco influenciaria a dissipação da energia das ondas. Todavia, os

testes e os resultados indicaram que o coroamento, em ambos os casos, não teve a eficiência esperada

ao nível da dissipação de energia das ondas, referindo-se que a reduzida largura, 0.3 a 0.4 m, poderia

ser a razão para essa ineficiência. Perante isto, a largura de coroamento usada no SWED-Block foi de

0.45 m para o modelo liso e de 0.80 m para os modelos rugoso e poroso.

Outro dos objetivos a atingir com a utilização do bloco é a retenção dos sedimentos transportados

durante as tempestades de alto mar para as praias, definindo-se o paramento de sotamar como um fator

importante para o efeito. Sendo assim, tal como no Beachsaver Reef optou-se por um paramento

inclinado nos modelos liso e rugoso, enquanto para o modelo poroso foi usado um paramento vertical.

Por ser contraproducente dimensionar este tipo de bloco como tradicionalmente se faz para outras

estruturas marítimas, devido ao risco de o sobredimensionar, decidiu-se usar, como ponto de partida, as

dimensões do Beachsaver Reef e do P.E.P. Reefs. Na perspetiva de melhorar estas configurações do

ponto de vista estrutural, foram projetados dois novos elementos que fornecessem uma maior

estabilidade ao bloco. Essa maior estabilidade foi assegurada pela criação de um sistema de encaixe para

interligação dos blocos adjacentes e ainda, a implementação de uma base irregular, como no Beachsaver

Reef, que, por aumento do atrito entre a base do bloco e o solo de fundação, diminua o risco de ocorrência

de roturas totais, como por exemplo, o deslizamento. Aplicou-se um defletor do lado de sotamar, por


31

replicação do Beachsaver Reef, que também apresenta um pequeno defletor, potenciador da retenção de

sedimentos a sotamar da estrutura.

O primeiro modelo considerado, o liso (Fig. 23), tem uma secção transversal muito semelhante à inicial,

exceto a implementação de uma base irregular. Este modelo irá servir de base de comparação com os

outros dois modelos, ajudando a perceber em que medida as alterações de um em relação aos outros

surtiram os efeitos desejados.

Fig. 23 – Representação esquemática do modelo liso do SWED-Block (Gomes, 2017)

Na Fig. 24 estão evidenciados alguns pormenores do modelo liso numa representação 3D, de barlamar

e de sotamar, respetivamente.

Fig. 24 – Representação 3D do modelo liso do bloco SWED (Gomes, 2017)

No caso do modelo rugoso (Fig. 25), a sua geometria continua a ser semelhante à do modelo liso e à

inicial, no entanto, a aplicação da superfície rugosa na parte de barlamar do bloco foi motivada pela

presença deste pormenor no Beachsaver Reef e no P.E.P. Reef, conferindo assim uma maior capacidade

ao bloco de provocar a dissipação da energia da onda, por rebentação e por atrito na superfície de

contacto. Para o efeito, foram adicionados degraus do lado de barlamar, que concedessem essa

rugosidade ao bloco, como é mais facilmente observado pela Fig. 26.


32

Fig. 25 – Representação esquemática do modelo rugoso, evidenciando o pormenor dos degraus (Gomes, 2017)

Fig. 26 – Representação 3D do modelo rugoso do novo bloco (Gomes, 2017), a barlamar e a sotamar,

respetivamente

O modelo poroso é o que apresenta maiores alterações face aos anteriormente referidos, tendo-se,

inclusive, alterado a geometria geral do bloco. Este foi desenvolvido com base nas aberturas existentes

no bloco Beachsaver Reef, como é possível observar na Fig. 27, na tentativa de replicar o fenómeno de

“backwash flame”, estimulando uma maior dissipação da energia das ondas, por turbulência gerada no

escoamento. Assim, neste modelo, foram aplicadas 2 fileiras de 7 aberturas, paralelas entre si, na face

de barlamar, conferindo permeabilidade a este modelo, ao contrário do que se verifica nos outros. A

introdução destas aberturas tem como objetivo promover a circulação de água para o interior do bloco,

que neste caso, tem a estrutura oca, gerando turbulência na propagação das ondas.

A alteração efetuada de uma estrutura maciça para uma oca provocou a modificação da geometria, sendo

que a largura de coroamento passou de 0.45 m para 0.80 m, podendo assim ser introduzida uma abertura

a toda a sua largura de 0.30 m na parte superior. Por outro lado, o defletor do paramento de sotamar foi

removido. Para além destas alterações, optou-se por utilizar uma face vertical no paramento de sotamar,

também com a introdução de aberturas, para completar a circulação de água no interior do bloco. Na

Fig. 27 estão ilustradas as alterações feitas neste modelo em relação aos anteriores.


33

Fig. 27 – Representação 3D do modelo poroso, apresentando as modificações aplicadas no paramento de

barlamar, sotamar e ainda na parte lateral (Gomes, 2017)

Como foi referido anteriormente, os testes experimentais dos três variantes dos blocos foram efetuados

com modelos do SWED-Block construídos a uma escala geométrica de 1:15, recorrendo ao tanque de

ondas da Secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto, com 28 m de comprimento, 12 m de largura e uma profundidade máxima de

1.20 m, provido com um sistema de geração de ondas multi-elemento, composto por 16 pás

independentes cada uma com 0.75 m de largura, ocupando a largura total do tanque (Gomes, 2017).

Estes modelos foram desenvolvidos na perspetiva de serem testados experimentalmente em laboratório,

e dada a aplicação de uma escala geométrica de 1:15, as características consideradas para incorporação

nos blocos tiveram em consideração que a construção dos mesmos fosse relativamente simples.

2.4.2. ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS

As sondas instaladas ao longo do canal de ensaios permitiu recolher dados referentes à elevação da

superfície livre da água e à variação do perfil batimétrico da praia nos testes relativos à interação das

ondas geradas com os diferentes módulos do SWED-Block e com a praia. Esses dados permitiram

analisar a influência destas estruturas na reflexão das ondas e as alterações no perfil transversal da praia

a sotamar do SWED-Block. Os equipamentos utilizados nestes ensaios foram o tanque de ondas da

Secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente da Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto, um sistema de geração de ondas controlado pelo software HR Wave Generation Control, um

mecanismo ativo de absorção da reflexão por parte do sistema de geração, o Dynamic Wave Absorption

(DWA), sondas de níveis hidrodinâmicos, em que através do software HR-DAQ – Data Acquisition and

Analysis Software Program, é possível a aquisição dos dados da elevação da superfície livre da água e

a calibração das próprias sondas. Foi utilizado também o perfilador 2D HR Wallinford 2-D Bed Profiler,

que permite o levantamento das cotas dos fundos segundo um alinhamento pré-determinado e assim

obter os perfis transversais da praia.

As estruturas marítimas interagem com a agitação marítima, provocando dissipação de energia das

ondas. No entanto, não sendo capazes de absorver ou dissipar toda a energia incidente, estas estruturas

refletem uma parte da energia incidente para o largo. As sondas que foram instaladas ao longo do canal

permitiram recolher a variação da elevação da superfície livre da água, o que permite determinar as


34

alturas de onda significativas incidentes e refletidas e analisar as mudanças verificadas no perfil da praia

ao longo dos ensaios (Gomes, 2017). O coeficiente de reflexão, CR, corresponde ao quociente entre a

altura de onda significativa refletida, Hsr e a altura de onda significativa incidente, Hsi, ou seja,

𝐶𝑟 =𝐻𝑠𝑟

𝐻𝑠𝑖

(2.1)

A análise da variação dos coeficientes de reflexão obtidos para os níveis de baixa-mar (profundidade de

0.33 m) e preia-mar (profundidade de 0.60 m), foi efetuada, numa primeira fase, para a situação da praia

desprotegida. Posteriormente, realizou-se esta análise para o modelo liso, rugoso e poroso do SWED-

Block, respetivamente, tendo-se ainda experimentado a colocação de dois modelos lisos de 0.20 m e um

outro de 0.40 m. Exceto neste último caso, para os cenários de colocação do bloco liso, rugoso e poroso,

foram utilizados dois blocos de 0.40 m cada, que preenchessem a largura total do canal.

Efetuou-se também uma análise do coeficiente de reflexão em função de um parâmetro adimensional,

que relaciona a altura de onda significativa incidente, Hsi, a aceleração gravítica, g, e período de onda

de pico, Tp, ou seja,

𝜉 =

𝐻𝑠𝑖

𝑔𝑇𝑝2

(2.2)

Deste modo, foi possível avaliar a variação do coeficiente de reflexão para os diferentes modelos do

SWED-Block, quando expostos às mesmas condições de agitação marítima e níveis de maré, como se

pode observar na Fig. 28.

Fig. 28 – Coeficientes de reflexão obtidos para os diferentes modelos do SWED-Block, para um aumento da

altura de onda significativa incidente e para o nível de maré de baixa-mar (Gomes, 2017)

Na Fig. 29 é possível observar a variação dos coeficientes de reflexão em função do parâmetro

adimensional anteriormente referido, para a situação de nível de maré de baixa-mar.


35

Fig. 29 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de maré de baixa-

mar (Gomes, 2017)

Posteriormente analisaram-se de forma global os valores dos coeficientes de reflexão obtidos para os

diferentes modelos do SWED-Block, para um nível de maré de preia-mar, Fig. 30.

Fig. 30 – Coeficientes de reflexão obtidos para um nível de maré de preia-mar e aumento de altura de onda

significativa incidente (Gomes, 2017)

Na Fig. 31 é possível observar o gráfico da variação dos coeficientes de reflexão, para o nível de maré

de preia-mar, em função do mesmo parâmetro adimensional.


36

Fig. 31 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de maré de preia-

mar (Gomes, 2017)

O perfil transversal da praia a sotamar das estruturas também foi também analisado para os diferentes

modelos do SWED-Block, para o nível de maré de BM e PM. Tal como para a reflexão, a análise das

alterações do perfil transversal da praia foi feita para cinco cenários diferentes: praia desprotegida,

colocação de dois blocos do modelo liso, rugoso e poroso de 0.40 m cada e, ainda, dois blocos lisos de

0.20 m e um outro de 0.40 m. Na Fig. 32 e Fig. 33 estão sobrepostos os diferentes perfis transversais,

obtidos para os cinco cenários referidos.


37

Fig. 32 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de baixa-mar

(Gomes, 2017)

Fig. 33 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de preia-mar

(Gomes, 2017)

As experiências realizadas pretendiam analisar a influência da presença dos SWED-Block na reflexão

das ondas e nas alterações dos perfis da praia. Os resultados obtidos permitiram concluir que o modelo

poroso do SWED-Block apresentou os melhores resultados, originando os menores coeficientes de

reflexão para as diferentes alturas de onda incidentes, para o nível de preia-mar. Quanto ao perfil da

praia, foi capaz de promover a acreção de sedimentos na situação de preia-mar, mostrando o melhor

desempenho mesmo para as condições de maré mais desfavoráveis.


38


39

3 MODELAÇÃO NUMÉRICA DO SWED-

BLOCK USANDO O OPENFOAM

3.1. INTRODUÇÃO

A conceção de estruturas marítimas está também, tradicionalmente, associada à utilização de fórmulas

semi-empiricas e à modelação física, dependentes da realização de experiências laboratoriais, em escala

reduzida, acarretando custos e influenciada por efeitos de escala. A evolução científica e tecnológica

tem proporcionado novas possibilidades de complementar o estudo e a análise da conceção de estruturas

costeiras. Essa evolução tem motivado o recurso a técnicas computacionais avançadas, capazes de

simular os processos físicos, validando os modelos numéricos utilizados com os resultados dos ensaios

experimentais. Porém, estas técnicas fazem uso de modelos numéricos integrados em software

especializado, podendo demorar bastante tempo e exigir recursos computacionais de elevada

capacidade.

O OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation) é um modelo avançado open-source

(código livre), de CFD (Computational Fluid Dynamics) de aplicações múltiplas, e encontra-se

disponível gratuitamente na internet, permitindo ainda, que o utilizador o manipule de forma a atingir

os seus objetivos. Esta possibilidade confere ao programa um elevado potencial de utilização nos

diversos campos da engenharia.

O IHFOAM, desenvolvido pelo Instituto de Hidráulica e Ambiente da Universidade de Cantábria,

Espanha (IHCantabria), consiste num modelo numérico baseado nas equações de Navier-Stokes com

médias de Reynolds (RANS-Reynolds Average Navier-Stokes) que utiliza um método VOF (Volume Of

Fluid) na determinação da posição da superfície livre da água, recentemente desenvolvido. Este modelo

é capaz de simular as interações da agitação marítima com as estruturas marítimas, tendo recentemente

sido integrado no modelo OpenFOAM.

Uma vantagem da utilização do OpenFOAM prende-se com o facto de permitir recorrer a ferramentas

computacionais auxiliares, designados por Third Parties, como é o caso do “Kitware ParaView”,

utilizado no processamento e análise dos resultados.

O IHFOAM destaca-se de outras ferramentas semelhantes devido à variedade de condições de fronteiras

do escoamento que permite aplicar, tratando da geração das ondas e da absorção da energia das mesmas

utilizando algumas dessas condições de fronteira.

O IHFOAM foi desenvolvido utilizando linguagem de programação C++, e constitui uma ferramenta

computacional capaz de resolver problemas complexos através da definição das características do

problema, como o domínio pretendido para a geração de uma malha, a definição dos parâmetros


40

hidráulicos a considerar, a decomposição do processamento de cálculo e o pós-processamento dos

resultados obtidos. Este é um modelo de bases teóricas bastante complexas, pelo que, no âmbito desta

dissertação, se pretende apenas fazer uma introdução e explicação simples do mesmo. No entanto, para

um conhecimento mais aprofundado do IHFOAM sugere-se a consulta de bibliografia mais completa,

como é o caso de Higuera (2015) e do manual do IHFOAM disponibilizado pelo IHCantabria (2014).

Os autores do IHFOAM, o IHCantabria, tornaram-se num passado recente, colaboradores oficiais das

mais recentes versões do OpenCFD (OpenFOAM), integrando o modelo numérico no software base.

Sendo assim, aquando da instalação do OpenFOAM, encontram-se integradas as condições de fronteira

dadas pelo modelo numérico IHFOAM, bem como alguns tutoriais.

Esta dissertação pretende aplicar a ferramenta de modelação numérica OpenFOAM para analisar a

aplicação do bloco modular SWED-Block para proteção costeira, anteriormente testado em laboratório

por Gomes (2017).

3.2. APLICAÇÃO DE MODELOS NUMÉRICOS RANS

A evolução tecnológica e computacional possibilitou o desenvolvimento de modelos numéricos capazes

de simular as experiências realizadas em laboratório. Alguns desses estudos, recorrendo a modelos

RANS, depois de validados os resultados numéricos com os resultados experimentais, possibilitam a

realização de estudos de otimização e a implementação de modificações às estruturas sem os custos e o

tempo necessário à realização dos testes laboratoriais. Estes modelos têm por base as equações de

Navier-Stokes (RANS-Reynolds Averaged Navier-Stokes), têm sido utilizados para estudar processos

costeiros, sendo o seu principal foco a interação entre as ondas e as estruturas.

Existem vários estudos de aplicação da modelação numérica a estruturas marítimas, tendo sido obtidos

resultados bastante satisfatórios quanto ao desempenho dos modelos numéricos utilizados, entre os quais

podem destacar-se Wu e Hsiao (2013), Garcia et al. (2004) e Lara et al. (2011).

O estudo realizado por Wu e Hsiao (2013) consistiu na análise da propagação de ondas solitárias sobre

um quebramar submerso permeável, utilizando um tanque de ondas numérico bidimensional de alta

precisão, implementado no modelo COBRAS (COrnell BReaking And Structure). Este modelo é capaz

de resolver os campos de escoamento, simultaneamente, nas regiões em que apenas existe fluído (fora

das zonas porosas), bem como no interior das zonas porosas, dentro de um domínio com base nas

equações de Navier-Stokes para escoamentos incompressíveis. Nas regiões em que existe apenas fluido,

as quantidades físicas foram resolvidas por médias das equações RANS para a média dos campos de

escoamento e usando o modelo de turbulência k–ε, representando a influência das flutuações de

turbulência. Este modelo de turbulência, k–ε, representa a evolução da energia cinética turbulenta (k) e

da velocidade de dissipação turbulenta (ε). No caso das zonas porosas, estes foram resolvidos recorrendo

às equações VARANS, que consistem na derivação das equações RANS para um determinado volume

médio, e utilizando o modelo de turbulência k-ε, possibilitando assim a resolução numérica dentro e fora

das zonas porosas (Wu e Hsiao, 2013).

Para a simulação 2D, foi modelado um canal com 6.0 m de comprimento e 0.2 m de altura. Foram

colocadas duas sondas nos mesmos locais onde foram colocadas as experimentais, de forma a comparar

e analisar os resultados. Neste caso, visto que o comprimento do tanque criado numericamente era menor

do que o experimental, a altura de onda simulada foi determinada através da altura da onda medida na

sonda de referência. A comparação dos resultados experimentais e numéricos foi realizada para a

elevação da superfície livre da água e correspondentes campo de velocidades e energia cinética

turbulenta. Os resultados obtidos foram satisfatórios, verificando-se apenas ligeiras variações no campo


41

de velocidades junto ao quebramar (Fig. 34). Os resultados apresentados na Fig. 34 correspondem a

testes com três configurações diferentes, para três coeficientes empíricos. Sugere-se a consulta de Wu e

Hsiao (2013) para uma descrição mais detalhada destes coeficientes.

Um outro estudo efetuado (Lara et al., 2011), incidiu sobre a interação de ondas solitárias sobre uma

estrutura em forma de degrau, porosa e submersa. Neste estudo foi utilizado o solver IH-2VOF, que

recorrendo às equações RANS, permite resolver o fluxo da onda para as regiões liquidas (fora das

regiões porosas) e para as regiões porosas. A avaliação da elevação da superfície livre da água foi

efetuada através do método Volume of Fluid (VOF), tendo sido utilizado o modelo de turbulência k- ε.

Neste caso, o escoamento no interior das zonas porosas foi modelado através da aplicação das equações

VARANS.

Fig. 34 – Comparação dos resultados numéricos com os do modelo físico, no instante t= 1. 45 s e para uma

altura de onda de aproximadamente 0.05 m, em termos de: a) elevação da superfície livre da água e b) perfis de

velocidade horizontal (superior) e vertical (inferior) (Wu e Hsiao, 2013)


42

No seguimento do estudo, foram realizadas simulações numéricas para analisar o comportamento das

ondas solitárias sobre a estrutura porosa e submersa, com e sem rebentação das mesmas. Para tal, foi

modelado numericamente um canal com 36 m de comprimento e 0.6 m de altura. A estrutura, com uma

profundidade variável, foi colocada a 4 m da fronteira geradora das ondas, e a profundidade de água

considerada foi de 0.3 m, constante em todas as simulações numéricas (Fig. 35). Os autores concluíram

que a aplicação das equações VARANS revelou ser uma excelente forma de analisar os efeitos

combinados da atenuação das ondas solitárias por amortecimento poroso e rebentação (Lara et al.,

2011).

Fig. 35 – Esquema do setup do modelo (Lara et al., 2011)

A validação do modelo numérico, comparando os resultados experimentais com os resultados

numéricos, foi efetuada considerando os dados resultantes das experiências de Sawaragi e Deguchi

(1993)e os resultados numéricos obtidos por Lara et al. (2011).

Apesar de nestas experiências terem sido usadas ondas monocromáticas, estes foram os dados

considerados para validação do modelo devido à ausência de experiências sobre o estudo do

amortecimento de ondas em fundos ou estruturas permeáveis. Dada a falta de informações quanto à

porosidade da estrutura testada experimentalmente por Sawaragi e Deguchi (1993), nas simulações

numéricas foi definida uma porosidade de 0.4 para esta estrutura porosa e submersa, tendo sido

simulados numericamente dois cenários diferentes, um deles para uma altura de onda H=3.6 cm e

período de pico da onda T=1.0 s e um outro para H=3.6 cm e T=1.5 s (Fig. 36) (Lara et al., 2011).

Em 2006 foram publicados os resultados da análise numérica bidimensional de um escoamento sobre

quebramares permeáveis de baixa cota de coroamento (Low-Crested Structures). Este estudo usou o

modelo COBRAS (COrnell Breaking waves and Structures), desenvolvido a partir do modelo RIPPLE,

para aplicação a problemas de engenharia costeira, em particular, aqueles que envolvem a ação da

rebentação das ondas e ao escoamento em meios porosos. O modelo foi utilizado para resolver as

equações RANS e considerou o modelo de turbulência k- ε, porém, o escoamento em meios porosos foi

descrito pelo modelo através da aplicação das equações VARANS. Também para o escoamento nos

meios porosos, o modelo de turbulência usado foi o baseado nas equações k- ε. O domínio

computacional deste modelo foi definido por células retangulares, tendo zonas da malha refinadas para

representação de zonas de análise mais detalhadas. A variação da elevação da superfície livre da água

foi analisada utilizando o método Volume of Fluid (VOF) (Garcia et al., 2004).

As experiências foram realizadas no Laboratório da Universidade de Cantabria, que possui um canal

com 24.05 m de comprimento, 0.60 m de largura e 0.80 m de altura, tendo sido testadas duas

configurações dos quebramares, um com largura do coroamento de 0.25 m e outro com 1.0 m. Foram


43

testados para diferentes profundidades de água (0.30, 0.35 e 0.40 m), para ondas regulares e ondas

irregulares. No entanto, na modelação numérica apenas foram consideradas ondas regulares.

Fig. 36 – Comparação dos resultados numéricos com os obtidos nos ensaios de Sawaragi e Deguchi (1993)

O modelo demonstrou ser uma excelente ferramenta de análise deste caso de estudo, visto os resultados

terem sido muito próximos dos observados experimentalmente (Garcia et al., 2004). A informação

numérica poderá ser utilizada para estudar propriedades físicas que em laboratório são difíceis ou

impossíveis de analisar, tais como, a velocidade das partículas sobre o coroamento da estrutura na

rebentação da onda e ainda o escoamento no interior do meio poroso das estruturas.

Como se pode observar na Fig. 37, os resultados numéricos obtidos são próximos dos resultados

laboratoriais. Comparando os dois cenários conclui-se que os resultados são mais próximos para o

cenário com profundidade de água (h) de 40 cm, período de onda (T) de 1.6 s e para uma altura de onda

(H) de 3.7 cm. Estas experiências permitem ainda a obtenção de outros tipos de resultados, tais como os

campos de velocidades em torno da estrutura (Fig. 38).

Para uma descrição mais detalhada dos ensaios experimentais ou da modelação numérica, recomenda-

se a consulta dos artigos referenciados na presente dissertação.


44

Fig. 37 – Comparação da elevação da superfície livre da água: (a) h=40 cm, T=1.6 s, H=10 cm. (b) h=40 cm,

T=1.6 s, H=3.7 cm (Garcia et al., 2004)

Fig. 38 – Campos de velocidades para t/T=0.55 (Garcia et al., 2004)


45

3.3. MODELAÇÃO NUMÉRICA

A modelação numérica compreende a aplicação de um conjunto de ferramentas e técnicas

computacionais capazes de replicar os processos físicos relevantes, recorrendo a computadores de

elevado desempenho no processamento dos cálculos necessários. O software OpenFOAM permite o

estudo de diferentes geometrias do bloco e perfis da praia, sem os custos e tempo necessários à

construção de um modelo físico. Todavia, as simulações numéricas exigem bastante tempo e recursos

informáticos de elevado desempenho, tendo-se recorrido à GridFEUP, rede de alto desempenho

computacional, como auxílio para o cálculo computacional.

3.3.1. AS EQUAÇÕES DE NAVIER-STOKES

Os modelos numéricos para a simulação do comportamento de estruturas costeiras baseados nas

equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) são uma ferramenta de análise numérica

bastante promissora, pela possibilidade de determinar tanto o campo de velocidades como também o

campo de pressões. Como os modelos RANS, também conhecido por RAS – Reynolds Average

Simulation, são totalmente não-lineares e dispersivos, a não-linearidade da interação das ondas, tal como

a sua rebentação são características implícitas nessas equações. Deste modo, estes modelos permitem a

modelação da interação da onda com a estrutura costeira e também da rebentação da onda sobre a

estrutura, considerando as características referidas da não-linearidade da interação das ondas e da sua

rebentação (Lara et al., 2013). O OpenFOAM está dotado de vários modelos de turbulência que têm por

base diferentes métodos, como são exemplo o RAS-Reynolds Average Simulation, o LES-Large Eddy

Simulation, o DES-Detached Eddy Simulation e o DNS-Direct Numerical Simulation, ¡Error! No se

encuentra el origen de la referencia.. O RANS é, habitualmente, o mais utilizado para estudar

estruturas de engenharia costeira.

Fig. 39 – Métodos mais comuns de simulação de turbulência (Bakker, 2006)

No método das equações RANS a turbulência não é simulada, mas sim modelada, fazendo uso de

modelos que permitem o fecho do sistema de equações. Os modelos existentes que poderão ser usados

são o kEpsilon (κ – ε), o kOmega (κ – ω) e ainda o kOmega SST (κ – ω SST). O modelo kEpsilon é um

dos mais frequentemente utilizados, permitindo a simulação, em termos médios, das características de

um escoamento turbulento, considerando duas variáveis apenas: a turbulência cinética, κ, e a dissipação


46

cinética, ε, de κ. Este modelo é mais adequado para situações de gradientes de pressão relativamente

pequenos, tendo um menor desempenho no caso de se verificarem gradientes de pressão maiores, como

por exemplo em escoamentos confinados, onde se verificam condições de fronteira curvas ou separação

do escoamento (Higuera, 2015).

O modelo kOmega, da mesma forma que o kEpsilon, introduz duas novas variáveis ao escoamento

turbulento, considerando a convecção e a difusão da energia turbulenta, através da turbulência cinética,

κ, e da dissipação específica, ω. Frequentemente, este modelo é utilizado em situações em que se observe

um mau desempenho por parte do modelo kEpsilon. Para situações do escoamento com superfície livre

da água, o modelo κ – ε apresenta um melhor comportamento em relação ao κ – ω, sendo o escolhido

para essas mesmas situações. Por fim, o modelo kOmega SST reúne os melhores atributos dos modelos

κ – ε e κ – ω, fazendo assim coincidir num só modelo, as condições de utilização de cada um deles.

As equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds para um volume médio (VARANS) têm sido

utilizadas para a caracterização da propagação do escoamento através de estruturas porosas. As equações

VARANS são obtidas por integração das equações RANS num determinado volume. O escoamento

médio através de meios porosos dá-se por um volume médio dentro de um volume de controlo maior do

que a estrutura porosa, mas menor que as características de escala geométrica do escoamento, Fig. 40

(Lara et al., 2012).

Fig. 40 – Procedimento para a consideração de um volume médio nas equações RANS para obtenção das

equações VARANS (Higuera, 2015)

3.3.2. MÉTODO DO VOLUME OF FLUID (VOF)

O método Euleriano VoF – Volume of Fluid utilizado em softwares de CFD, é num dos métodos mais

versáteis para a definição da elevação da superfície livre, da interação entre o fluido líquido e o fluido

ar no escoamento. Este método considera que o escoamento se dá ao longo de uma malha fixa,

permitindo calcular para cada célula dessa malha o volume de fluido existente. Sendo assim, nos casos

em que a célula se encontra completamente preenchida por água assume o valor de 1 e, nos casos

opostos, em que esta se encontra totalmente preenchida por ar, assume o valor de 0. Nas situações em

que a célula não se encontra como nos casos referidos anteriormente, isto é, totalmente preenchida por

ar ou água, a célula pertence à interface dos dois fluidos, assumindo, assim, um valor entre 0 e 1, Fig.

41 (Higuera, 2015).


47

Fig. 41 – Definição da superfície livre, de acordo com o método VoF (Haider, 2013)

3.3.3. OPENFOAM - IHFOAM

3.3.3.1. Preparação das condições de simulação

As simulações numéricas efetuadas ao longo da presente dissertação, resultaram da utilização do sistema

operativo Linux-Ubuntu, versão 16.04 LTS, e da versão OpenFOAM-v1712, disponível desde dezembro

de 2017. Esta versão do OpenFOAM, tal como foi referido anteriormente, integra o modelo numérico

IHFOAM, pelo que, ao contrário de versões anteriores, não foi necessário proceder posteriormente à

instalação auxiliar do IHFOAM.

O IHFOAM é um solver baseado no interFoam, com condições de fronteira adicionais para a geração e

absorção das ondas. Deste modo, dada a adição dessas condições de fronteira nas versões mais recentes

do OpenFOAM, a aplicação do IHFOAM é efetuada através do interFoam.

À semelhança do que acontece com outros modelos de simulação presentes no OpenFOAM, a aplicação

dos mesmos depende da existência de uma pasta principal constituída por outras subpastas que

contenham as informações necessárias à simulação que se pretende realizar. As sub-pastas constituintes

dessa pasta principal, designam-se por “0”, “constant” e “system”. A título de exemplo, na Fig. 42 é

apresentada a estrutura comum de um caso de estudo, neste caso, do tutorial spillway.

A estrutura de ficheiros apresentada na Fig. 42 pode variar ligeiramente conforme os casos em estudo,

sendo que esta deverá ser diferente para o caso do SWED-Block, Fig. 43.


48

Fig. 42 – Hierarquia das pastas e ficheiros do tutorial spillway


49

Fig. 43 – Hierarquia das pastas e ficheiros do caso em estudo do SWED-block

No caso de estudo do SWED-Block, a pasta “0” corresponde ao momento inicial da simulação, instante

0 s, tendo na sua constituição os ficheiros com as informações relativas às condições de fronteiras, sendo

as principais as que se seguem:


50

Velocidade (U em m/s);

Pressão dinâmica (p_rgh em Pa);

Turbulência cinética (k em m2/s);

Função VoF (alpha.water);

Viscosidade turbulenta (nut);

Dissipação da turbulência (épsilon), para o modelo k – ε.

Na pasta “constant” encontram-se os ficheiros referentes à geração da malha (pasta polyMesh) e da

geometria do bloco, definida através de um ficheiro “.stl” que se encontra numa subpasta designada por

triSurface, bem como os ficheiros dos parâmetros constantes ao longo da simulação, como por exemplo,

as propriedades de transporte e turbulência (transportProperties e turbulenceProperties,

respetivamente), aceleração da gravidade (g) e ainda as características das ondas (waveProperties).

Por fim, a pasta “system” é composta pelos ficheiros scripts com as informações de controlo da

simulação, ou seja, o início e a duração da simulação, tal como o solver a aplicar (controlDict), a

descrição da malha base (blockMeshDict), núcleos de cálculo e o método de decomposição a utilizar

(decomposePar), características de refinamento (snappyHexMeshDict), fronteira dos fluidos

(setFieldsDict), conversão da malha 3D em 2D, consideração de apenas uma célula na direção y

(extrudeMeshDict), extração das características da superfície do bloco da malha

(surfaceFeatureExtractDict), criando a pasta extendedFeatureEdgeMesh presente na pasta “constant” e

ainda as informações quanto ao algoritmo e cenários computacionais (fvSchemes e fvSolution).

A extração da malha, isto é, para que tenha apenas uma célula na direção y, necessita da criação de uma

pasta auxiliar, neste caso, denominada por case_snappyHexMesh, onde se encontram as pastas constant

e system. Após este passo, é então possível utilizar o comando extrudeMesh para a extração da malha.

Neste caso em particular, dada esta necessidade, o caso terá uma pasta a mais em relação aos casos

comuns que, frequentemente, apenas têm as pastas “0”, “constant” e “system”. Dado ter-se recorrido

à GridFEUP para o processamento das simulações, foi preciso adicionar um ficheiro à pasta base do

caso de estudo, designado “Allrun”, descrevendo todo o procedimento necessário.

As simulações numéricas requerem uma boa preparação a fim de se obterem os melhores resultados

possíveis. Para tal, é necessário que o caso esteja bem estruturado e que todo o processo esteja bem

definido. A composição do caso de estudo do SWED-block encontra-se descrita na Fig. 43 e a

metodologia adotada nas simulações na Fig. 44. No anexo A é descrito o algoritmo adotado nas

simulações do SWED-Block.

Tendo em consideração que o tutorial spillway foi criado para uma versão anterior do OpenFOAM, a

constituição deste será diferente da do SWED-block. As principais diferenças entre os dois casos

prendem-se com o facto de que para o SWED-block, utilizou-se o modelo de turbulência k – ε, o

surfaceFeatureExtract, a introdução das características da onda pelo waveProperties e ainda o perfil da

praia a considerar, Fig. 43.

A obtenção de simulações numéricas satisfatórias está dependente de uma boa preparação da mesma,

portanto, é importante estudar o problema e definir os objetivos pretendidos. Assim, a preparação e

posterior utilização das ferramentas computacionais necessárias e disponíveis ficará facilitada, sendo

possível estruturar da forma mais adequada todo o processo de simulação. No anexo B é possível

encontrar a descrição detalhada das simulações realizadas no âmbito desta dissertação.

Para tal, foi importante estudar casos de estudo semelhantes, para recolher valores de referência das

características das malhas usadas, Tabela 1.


51

Fig. 44 – Metodologia adotada para as simulações numéricas

Tabela 1 – Valores de referência de definição do domínio da malha numérica

Valores de Referência

(Vanneste e

Troch, 2015)

(Di

Lauro et

al.,

2017)

(Garcia et

al., 2004)

(Lara et

al.,

2011)

(Lara et

al.,

2013)

(Moreira,

2015)

(Lara et

al.,

2010)

ΔX 0.05-0.40 0.01 0.015 0.01 0.025 0.016 0.01

ΔZ 0.05-0.40 0.005 0.01 0.005 0.015 0.007 0.005

ΔX/L 50-100 300-400 400-500 200-300 320-450 181 260-380

ΔZ/H 20 24 15 30 20 11 32

A geração da malha é o passo mais importante para a obtenção de bons resultados. Esta malha deverá

ter boa qualidade e ser adequada à melhor reprodução dos resultados das simulações. No entanto, deve-

se procurar um equilíbrio razoável entre a qualidade da malha e a exigência computacional daí

resultante, visto que quanto mais células a malha tiver, mais tempo demorará a calcular. Este processo

é o que exige mais tempo inicialmente, porque é necessário experimentar diferentes malhas, alterando

o número total de células da malha base e com diferentes níveis de refinamento. Uma malha de fraca

qualidade, um domínio de simulação mal definido ou condições base da simulação erradas, podem

resultar em fenómenos fisicamente inexistentes.

O processo de obtenção da malha final consistiu na criação de uma malha base usando o blockMesh, um

gerador de malhas integrado no OpenFOAM, com as características apresentadas na Tabela 2. Neste


52

passo, obteve-se uma malha retangular, definida pelas dimensões do domínio físico reproduzido

numericamente (dx, dy, dz) e pelo número de células em cada direção da malha (Nx, Ny, Nz).

Tabela 2 – Características da malha base 2D tendo como referência uma onda com L = 9.78 m e H = 0.13 m

(valores do modelo)

dx 18.0 m

dy 0.4 m

dz 1.5 m

Nx 1800

Ny 1

Nz 150

ΔX 0.01 m

ΔZ 0.01 m

ΔX/L 978

ΔZ/H 13

Número de células 270000

De forma a definir o contorno da estrutura e do perfil da praia a implementar na malha, utilizou-se o

surfaceFeatureExtract, que cria uma pasta (extendedFeatureEdgeMesh) com diversas informações

sobre o contorno e a geometria do SWED-block e também do perfil da praia, denominado por ramp,

recorrendo à informação presente nos ficheiros “.stl” de ambos. Este passo é importante para o posterior

refinamento destas zonas. A geometria do bloco foi realizada recorrendo ao software de desenho

SketchUp, que permite a criação de desenhos 3D e exportação para o formato “.stl”, enquanto o ficheiro

“.stl” do perfil da praia, ramp, foi obtido através de um ficheiro de texto escrito na linguagem Python.

Os perfis da praia, ramp, foram aproximadamente reproduzidos com base nos perfis apresentados na

Fig. 45 e na Fig. 46.


53

Fig. 45 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de baixa-mar: a) Sem bloco, b)

Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017)

a)

b)

c)


54

Fig. 46 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de preia-mar: a) Sem bloco, b)

Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017)

A etapa do refinamento é realizada através do snappyHexMesh, que permite refinar a zona do contorno

da estrutura, ao longo do perfil da praia, mas também refinamentos localizados. O refinamento

a)

b)

c)


55

localizado pode ser usado para aumentar a definição da malha em determinados locais, tendo-se aplicado

na envolvente do bloco e na zona de colocação das sondas, de modo a melhorar os resultados nessa

região, Fig. 47. Sendo assim, o número total de células sofreu alterações em relação ao obtido pelo

blockMesh, pois o refinamento fez aumentá-lo, enquanto o perfil da praia, ramp, retirou algumas células

desnecessárias às simulações. No entanto, o número total de células para as simulações foi de

aproximadamente 500000.

Fig. 47 – Malha usada na simulação do modelo liso do SWED-block: a) descrição das fronteiras da malha; b)

zonas de refinamento localizado e c) refinamento do contorno do bloco

O OpenFOAM, tal como o modelo numérico IHFOAM, permite a execução de modelação numérica

3D. Todavia, uma simulação 2D possui menos exigências de cálculo, pelo que numa fase inicial pareceu

mais prudente optar por este tipo de simulação. De forma a obter-se uma malha 2D, foi necessário criar

a pasta case_snappyHexMesh constituída pelas pastas “constant” e “system”, sendo posteriormente

a)

b)

c)


56

executado o comando extrudeMesh, que através da informação presente nessas pastas transforma a

malha em 2D, composta apenas por uma célula na direção y. O uso de uma malha 2D possibilita ter uma

malha com maior qualidade, perto do limite de equilíbrio entre as necessidades de refinamento e

exigências computacionais. Deste modo, foi possível simular o caso de forma a obterem-se resultados

para 60 s de simulação, usando 12 núcleos de processamento da Grid da FEUP, demorando

aproximadamente 24 horas.

As condições base da simulação consistem na caracterização do escoamento, ou seja, definição do

modelo de turbulência a utilizar e a preparação dos ficheiros necessários. Para as simulações realizadas,

tratando-se da interação da agitação marítima com uma estrutura submersa com escoamento em

superfície livre da água, foi utilizado o modelo de turbulência kEpsilon, por apresentar bons resultados

para experiências com escoamentos com superfície livre da água (Higuera, 2015). A determinação dos

valores do modelo de turbulência na zona de geração, inlet, é essencial para uma correta simulação. A

turbulência cinética, κ, é habitualmente estimada através da equação (3.1), em que U representa a

velocidade média do escoamento e I a intensidade da turbulência,

𝜅 = ( 𝑈 𝐼 )2 (3.1)

A intensidade de turbulência pode ser estimada conforme o tipo de turbulência esperado na simulação.

O valor atribuído pode variar consoante se trate de um caso com turbulência elevada, média ou baixa.

Para um caso de turbulência elevada, define-se um valor num intervalo de 5% a 20%, para um caso de

turbulência média, um valor num intervalo de 1% a 5% e para um caso de turbulência baixa, atribui-se

um valor bastante abaixo de 1% (Launder e Spalding (1974) e El Tahry (1983)).

A dissipação da turbulência, épsilon, ε, é determinada em função da turbulência cinética,

𝜀 = 𝐶𝑢 𝜅

32

𝑙

(3.2)

em que Cu representa uma constante do modelo de turbulência e, geralmente, toma o valor de 0.09,

enquanto l corresponde à escala de comprimento de turbulência, sendo, habitualmente, considerado

como uma percentagem de uma dimensão característica do caso estudo, por exemplo, a altura do canal,

As características da onda gerada são definidas no ficheiro waveProperties, onde deverá estar definida

a teoria de onda a implementar, bem como a altura de onda e o período de pico. É importante que estas

características estejam bem definidas e o mais próximo possível da realidade. Dada a agregação do

IHFOAM no OpenFOAM, este é capaz de reproduzir diferentes teorias de geração de onda, para ondas

regulares e irregulares, dando a possibilidade ao utilizador de escolher a mais adequada à sua simulação,

Fig. 48, em função da profundidade de água e da altura da onda.

O modelo numérico IHFOAM, para além de permitir a geração de ondas considerando diferentes teorias

de onda, também permite a absorção da onda refletida, importante para uma correta modelação do caso

de estudo. Para este tipo de estruturas, a análise da reflexão é bastante importante na obtenção de

resultados realistas.

A fronteira entre os fluídos, definida pelo ficheiro de texto setFieldsDict, é controlada pela função VoF

“alpha.water”. Esta fronteira é realizada pela determinação de um limite máximo e mínino do fluido.

Habitualmente, definem-se as coordenadas da região constituída pelo fluido água (alpha.water=1.0),

ficando as células no interior dessa região, preenchidas com o fluido água. As restantes células, ficando

fora desta região, serão preenchidas por ar (alpha.water =0). O IHFOAM, utiliza o método VoF e

conforme a informação descrita no ficheiro setFieldsDict, reproduzirá a interface entre os dois fluidos,

definindo, assim, a superfície livre do escoamento.


57

Fig. 48 – Gama de aplicabilidade de teorias de onda, Le Méhauté (1976), retirado de Higuera (2015)

De acordo com a Fig. 48 e os dados presentes na Tabela 3, designadamente a profundidade de água (h),

a altura de onda (H) e o período da onda (T), para as situações de baixa-mar e de preia-mar, a teoria de

onda mais apropriada é a teoria cnoidal.

Tabela 3 – Condições de agitação marítima testadas, valores no modelo (escala 1:15)

Agitação Regular

Baixa-mar Preia-mar

h (m) 0.33 0.60

H (m) 0.10 0.13

T (s) 3.36 4.13

Modelo de turbulência κ - ε

Teoria de onda cnoidal

Por fim, definem-se as condições em que a simulação se irá realizar, tais como, a duração da simulação,

o intervalo de tempo para registo dos resultados, o solver e os núcleos de processamento a usar, tendo

em consideração os recursos computacionais disponíveis. A utilização de mais núcleos diminui o tempo

necessário para a simulação. Todavia, sendo os computadores comuns limitados a um máximo de 4, de

forma a encurtar o tempo necessário para as simulações, recorreu-se à Grid da FEUP, rede de alto

desempenho computacional, que possibilita a utilização de 12 núcleos de cálculo.

As condições de teste estudadas neste trabalho são as que constam nas Tabelas 5 e 6. Essas tabelas

indicam a designação da simulação, as condições de agitação, a teoria de ondas e o modelo de

turbulência utilizado, assim como a descrição do perfil de praia utilizado e os objetivos de cada

simulação.


58

Tabela 4 – Descrição das simulações realizadas

Simulação Condições de

agitação

Teoria de

onda

Modelo de

turbulência

Modelo do SWED-block

Perfil da praia Objetivos

SWED-block1 BM

H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Sem Bloco Inclinação

constante de cerca de 6.7%

Avaliação do Cr para BM sem o bloco

SWED-block2 PM

H=0.13 m T=4.13 s

cnoidal κ - ε Sem Bloco Inclinação

constante de cerca de 6.7%

Avaliação do Cr para PM sem o bloco

SWED-block3 BM

H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Sem Bloco

Inclinação de 6.7% nos

primeiros 6 m e de 10% nos

restantes 4 m

Avaliação do Cr para BM sem o bloco

SWED-block4 PM

H=0.13 m T=4.13 s


Inclinação de 6.7% nos

primeiros 6 m e de 10% nos

restantes 4 m

Avaliação do Cr para PM sem o bloco, alterando a inclinação

da zona de rebentação

SWED-block5 BM

H=0.10 m T=3.36 s


Perfil final dos ensaios

experimentais, sem o bloco,

para o nível de BM

Avaliação do Cr para BM sem o bloco, para o perfil final dos

ensaios

SWED-block6 PM

H=0.13 m T=4.13 s


Perfil final dos ensaios

experimentais, sem o bloco,

para o nível de PM

Avaliação do Cr para PM sem o bloco, para o perfil final dos

ensaios

SWED-block_liso1

BM H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Liso Perfil inicial dos ensaios, para nível de BM

Avaliação do Cr para BM, com a implantação do modelo liso

SWED-block_liso2

PM H=0.13 m T=4.13 s

cnoidal κ - ε Liso Perfil inicial dos ensaios, para nível de PM

Avaliação do Cr para PM, com a implantação do modelo liso

SWED-block_liso_h=0

.36m

h=0.36 m H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Liso Perfil inicial dos ensaios, para nível de BM

Alterações causadas no Cr e no escoamento com a subida do nível de água de 0.33 m

para 0.36 m

SWED-block_liso_h=0

.39m

h=0.39 m H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ – ε Liso Perfil inicial dos ensaios, para nível de BM

Alterações causadas no Cr e no escoamento com a subida do nível de água de 0.33 m

para 0.36 m

SWED-block_liso6

PM H=0.13 m T=4.13 s

cnoidal κ - ε Liso

Perfil rebaixado em relação ao

experimental de nível de PM

Avaliação do Cr, para o nível de PM

SWED-block_liso7

BM H=0.10 m T=3.36 s



experimental de nível de BM

Avaliação do Cr para um perfil rebaixado, com submersão do bloco adequada e comparação com o que acontece subindo o nível de água de 0.33 m para

0.39 m

SWED-block_liso8

BM H=0.10 m T=3.36 s


Perfil utilizado na simulação

SWED-block_liso7, com fossa de erosão

a sotamar

Análise do escoamento a sotamar do bloco, procurando

explicar a estabilização da fossa, para o nível de BM


59

Tabela 5 – Descrição das simulações realizadas

Simulação Condições de

agitação

Teoria de

onda

Modelo de

turbulência

Modelo do SWED-block

Perfil da praia Objetivos

SWED-

block_liso9

PM H=0.13 m T=4.13 s



SWED-block_liso6, com fossa de erosão

a sotamar

Análise do escoamento a sotamar do bloco, procurando

explicar a estabilização da fossa, para o nível de PM

SWED-block_rugoso1

BM H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Rugoso Perfil inicial dos ensaios, para nível de BM

Avaliação do Cr para BM, com a implantação do modelo

rugoso

SWED-block_rugoso2

PM H=0.13 m T=4.13 s

cnoidal κ - ε Rugoso Perfil inicial dos ensaios, para nível de PM

Avaliação do Cr para PM, com a implantação do modelo

rugoso

SWED-block_rugoso5

BM H=0.10 m T=3.36 s

cnoidal κ - ε Rugoso


experimental de nível de BM

Avaliação do Cr para um perfil rebaixado, com submersão do

bloco adequada

SWED-block_rugoso6

PM H=0.13 m T=4.13 s



experimental de nível de PM

Avaliação do Cr, para o nível de PM

SWED-block_rugoso7

BM H=0.10 m T=3.36 s



SWED-block_rugoso5,

com aumento de inclinação na

zona de rebentação da

onda

Avaliação do Cr, para o nível de BM, com aumento de

inclinação do perfil na zona de rebentação da onda


60


61

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS

RESULTADOS

Uma vez concluídas as simulações dos diferentes casos de estudo, o software OpenFOAM permite a

obtenção de dados, como a elevação da superfície livre da água através da colocação de sondas virtuais,

GaugeVOF, essencial para a análise da reflexão do caso de estudo. A colocação das sondas virtuais foi

realizada através de um ficheiro de texto, sampleDictVOF, descrevendo a localização das sondas na

malha. É assim possível registar o nível da superfície livre da água para cada instante de gravação de

dados.

A ferramenta “ParaView” do OpenFOAM possibilita ainda a visualização de campos de velocidades,

pressão, turbulência e vorticidade. Esta ferramenta permite a aplicação de filtros nas áreas de maior

interesse de análise, conduzindo a que a apresentação dos resultados para essas áreas tenha melhor

qualidade e detalhe.

4.1. ANÁLISE DA REFLEXÃO E DO ESCOAMENTO

A análise da reflexão é muito importante para o estudo do comportamento de estruturas marítimas.

Tratando-se de uma estrutura submersa com o objetivo de dissipar parte da energia das ondas que

chegam à praia, esta análise permite perceber a capacidade do SWED-block para esse efeito e o impacto

na movimentação dos sedimentos por via do efeito da reflexão.

A análise da reflexão do SWED-block foi realizada para as condições de agitação marítima descritas na

Tabela 3. Nos ensaios laboratoriais, o talude da praia era reposto entre o final de uma série de ensaios e

o início de outra, sendo, portanto, praticamente impossível ter sido usado um perfil da praia igual em

todas as séries de ensaios. Deste modo, para a validação do modelo numérico, os perfis utilizados foram

uma aproximação ao perfil da praia do modelo físico, para as situações de baixa-mar e preia-mar

respetivamente (Gomes, 2017).

No modelo numérico, Fig. 49, a reflexão foi estimada através dos registos das sondas virtuais,

GaugeVOF, colocadas nas mesmas posições que no modelo físico. A análise dos registos das sondas

virtuais permitiu estimar a altura da onda incidente e a altura da onda refletida, o coeficiente de reflexão

e, ainda, a representação da série temporal da elevação da superfície livre da água, para a componente

da onda incidente e refletida.


62

Fig. 49 – Esquema geral do domínio físico utilizado no modelo numérico (valores em metros)

4.1.1. ANÁLISE SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK

Inicialmente, simularam-se cenários do perfil da praia sem a colocação do bloco. Para as simulações

destes cenários atribuíram-se diferentes inclinações ao perfil da praia. Os perfis utilizados nas diferentes

simulações encontram-se detalhados na Fig. 50 e as condições de agitação descritas na Tabela 3. A

primeira simulação consistiu numa inclinação constante ao longo de todo o perfil da praia. Para a

segunda simulação, a inclinação do perfil da praia era igual ao da primeira simulação nos 6 m iniciais e

aumentava nos últimos 4 m. As duas primeiras simulações foram realizadas para os níveis de baixa-mar

e preia-mar, obtendo-se os coeficientes de reflexão apresentados na Fig. 51, que não são próximos dos

valores experimentais obtidos, Fig. 52. Decidiu-se, por isso, fazer mais duas simulações considerando

novos perfis da praia, tratando-se de aproximações dos perfis finais experimentais, para os níveis de

baixa-mar e preia-mar, de acordo com as Fig. 45 e Fig. 46, respetivamente. A terceira simulação foi

efetuada para o perfil final e condições de agitação de baixa-mar, e, por sua vez, a quarta simulação foi

realizada considerando o perfil final e condições de preia-mar.

Fig. 50 – Perfis utilizados em cada simulação sem a presença do bloco

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)

Simulação 1 Simulação 2 Simulação 3

Simulação 4 Nível de baixa-mar Nível de preia-mar


63

Os registos do nível da superfície livre da água obtidos pelas sondas virtuais, GaugeVOF, processados

com uma rotina escrita em Matlab, permitem a obtenção dos coeficientes de reflexão para os níveis de

baixa-mar e preia-mar, para cada um dos cenários simulados. Esta rotina, escrita em Matlab, permite a

separação da onda incidente da onda refletida, obtendo-se a série temporal das ondas incidentes e

refletidas, bem como o coeficiente de reflexão, Fig. 51. A rotina utiliza o método de Baldock e

Simmonds (1999), baseado no método de Frigaard e Brorsen (1995), que tem em consideração a

propagação da onda em direção à estrutura/costa.

Fig. 51 – Coeficientes de reflexão obtidos para os níveis de baixa-mar e preia-mar: a) simulação 1 e b) simulação

2

As duas simulações realizadas empregando os perfis finais experimentais, permitiram perceber que o

perfil da praia tem uma influência significativa nos coeficientes de reflexão. De facto, os coeficientes

de reflexão obtidos foram mais próximos dos obtidos experimentalmente, Fig. 52. Deste modo, foi

possível concluir que a inclinação da praia na zona de rebentação da onda influencia a reflexão da

mesma, sendo que se a inclinação dessa zona aumentar, a reflexão também deverá aumentar, como seria

de esperar.

Fig. 52 – Coeficientes de reflexão obtidos: a) para as simulações 3 e 4 e b) para o modelo físico, para a praia na

ausência do SWED-block, para as mesmas condições de agitação (Gomes, 2017)

Como é possível observar na Fig. 50, os perfis das simulações 3 e 4, apresentam uma inclinação superior

na zona de rebentação da onda em relação aos perfis utilizados nas restantes simulações, resultando em

a) b)


64

valores mais próximos dos experimentais. A diferença de resultados poderá estar relacionada com o

facto de que as condições de agitação simuladas numericamente foram para a maior altura e período de

onda, isto é, foram as últimas condições ensaiadas em cada série de ensaios. Nos ensaios experimentais,

as alturas e períodos de onda eram testados consecutivamente, pelo que o perfil da praia no momento

anterior ao início dos ensaios para a altura e período de onda mais gravosos, seria bastante diferente do

perfil inicial da praia. Dado não se ter conhecimento de como seria o perfil exatamente antes do início

desses ensaios, estes resultados permitem concluir que o perfil da praia nesse momento deveria

apresentar uma configuração já muito semelhante à do perfil final.

A diferença entre os resultados numéricos e experimentais poderá ser resultado do modelo de turbulência

aplicado no modelo numérico. Dada a natureza dos processos físicos estudados nesta dissertação, a

aplicação de um modelo de turbulência recentemente desenvolvido na Universidade de Ghent poderia

ter originado melhores resultados. Com efeito, esse modelo, baseado no modelo κ-ω SST, foi

desenvolvido para simular os processos de engenharia costeira, resultando numa propagação de onda

mais estável e sem amortecimento, permitindo calcular mais precisamente os níveis de turbulência do

escoamento na zona de rebentação. Este modelo de turbulência foi recentemente aplicado e validado,

tendo sido alcançados resultados positivos, nomeadamente nos trabalhos realizados por Devolder et al.

(2017) e Devolder et al. (2018).

No anexo C é possível observar alguns dos resultados obtidos das simulações para os casos sem a

presença do SWED-block, tais como as séries temporais da superfície livre da água e também da

separação da onda incidente e da refletida.

4.1.2. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK

Em primeiro lugar, a simulação do modelo liso do SWED-block foi realizada para o nível de baixa-mar

e considerando o perfil inicial da praia descrito na Fig. 45, ficando o bloco submerso aproximadamente

1 cm. O resultado desta simulação foi um coeficiente de reflexão bastante superior ao verificado

experimentalmente.

De modo a tentar perceber o motivo da diferença nos coeficientes de reflexão obtidos, realizaram-se

duas simulações auxiliares, para o mesmo perfil inicial da praia, sendo a primeira para um nível da água

de 0.36 m e a segunda para um nível de água de 0.39 m. Na primeira simulação auxiliar, o bloco

encontrava-se submerso aproximadamente 4 cm, enquanto que na segunda simulação encontrava-se

submerso aproximadamente 7 cm.

Das três simulações realizadas para o nível de baixa-mar, a primeira simulação, para uma submersão do

bloco de aproximadamente 1 cm, foi a que apresentou um valor mais afastado do obtido

experimentalmente. Posteriormente, com o aumento do nível de água e consequente aumento de

submersão do bloco para cerca de 4 e 7 cm, respetivamente, os coeficientes de reflexão aproximaram-

se do valor obtido experimentalmente, Fig. 53. Desta forma, foi possível concluir que o nível de

submersão do bloco para o nível de baixa-mar, tem uma influência significativa na reflexão.

A modelação numérica apresenta algumas vantagens em relação à modelação física, sendo uma das mais

relevantes, a possibilidade de análise do escoamento ao nível da partícula. Deste modo, é possível saber

o movimento do fluido na envolvente da estrutura, bem como no restante domínio.


65

Fig. 53 – Coeficientes de reflexão obtidos utilizando o perfil inicial da praia

Analisando os campos de velocidades do escoamento para as três situações, foi possível constatar

algumas diferenças na velocidade das partículas na envolvente do bloco. Os instantes apresentados na

Fig. 54 correspondem aos momentos da chegada e passagem de uma onda pelo bloco. É possível

verificar que, as velocidades na envolvente do bloco vão diminuindo gradualmente do primeiro para o

terceiro caso. Devido ao facto de no primeiro caso o bloco se encontrar submerso aproximadamente em

1 cm, o escoamento demonstra mais dificuldades em ultrapassar o bloco, sendo possível verificar

maiores velocidades nos dois instantes para esse caso. As maiores velocidades verificadas nos dois

momentos permitem concluir que possivelmente foi para esta situação que a presença do bloco provocou

maior dissipação de energia da onda, visto que a profundidade da água é menor. De facto, de acordo

com a equação (4.1) não é possível garantir que ocorreu maior dissipação de energia da onda por não se

ter informações concretas sobre a quantidade de energia que é transferida para o talude da praia,

𝐶𝑟2 + 𝐶𝑑2 + 𝐶𝑡2 = 1 (4.1)

em que Cr corresponde ao coeficiente de reflexão, Cd ao coeficiente de dissipação e Ct ao coeficiente

de transmissão.

O choque da onda com a água que refluía de sotamar para barlamar do bloco, originou um vórtice a

barlamar.

Na segunda situação, o comportamento é semelhante ao da primeira, no entanto, verifica-se uma ligeira

diminuição das velocidades na envolvente do bloco, logo possivelmente uma menor dissipação de

energia provocada pelo bloco. Tal como na simulação anterior, também se observa o desenvolvimento

de um vórtice, porém, de menor intensidade.

No terceiro caso, o vórtice é quase inexistente e não se verificam velocidades demasiado elevadas

aquando da passagem da onda, comparativamente aos outros dois casos. Para esta situação, a presença

do bloco ofereceu menor resistência ao escoamento, o que estará de acordo com uma menor dissipação

de energia da onda.

A comparação dos campos de velocidades entre estes três casos permite perceber em quais se observam

maiores velocidades na envolvente do bloco, e, por sua vez, maior dissipação de energia da onda

resultante da presença deste obstáculo. O aumento do nível de água levou a que a dissipação de energia

0,35

0,220,20 0,20

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão

Nível de baixa-mar com o nível de água igual a 0.33 m

Nível de água igual a 0.36 m

Nível de água igual a 0.39 m

Valor no modelo físico, para o nível de baixa-mar e para as mesmas condições de agitação


66

provocada pelo bloco fosse diminuindo. Na Fig. 54, as velocidades são representadas por vetores

correspondentes a cada célula do plano de análise.

Fig. 54 – Campos de velocidades para as três simulações, considerando o perfil inicial da praia para o: a) nível

de água igual a 0.33 m; b) nível de água igual a 0.36 m e c) nível de água igual a 0.39 m

As simulações anteriormente realizadas possibilitaram concluir que os resultados numéricos são

influenciados pelas inclinações da praia na zona de rebentação e pelo grau de submersão do bloco. Face

à impossibilidade de replicar a configuração exata do perfil da praia no início dos testes experimentais

para a maior altura e período de onda, optou-se por criar um perfil rebaixado, que fosse mais semelhante

ao perfil final do que ao perfil inicial, mas não exatamente igual. Deste modo, desejava-se criar um perfil

de praia que tivesse características semelhantes às que se deveriam verificar nos ensaios experimentais,

principalmente ao nível da submersão do bloco e das inclinações na zona de rebentação.

Através da observação das fotografias tiradas no final dos ensaios foi possível determinar qual deveria

ser a submersão adequada para a simulação, e, para a replicar nas simulações, foi necessário diminuir a

inclinação do talude inicial da praia de forma a garantir uma submersão semelhante à observada.

Posto isto, obteve-se um perfil da praia com uma menor inclinação no talude inicial, proporcionando

uma submersão do bloco de cerca de 7 cm, Fig. 55.


67

Fig. 55 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block, nas

condições de baixa-mar

A simulação para este novo perfil rebaixado resultou num coeficiente de reflexão mais próximo do

experimental, de acordo com as conclusões retiradas das simulações anteriores, em relação à submersão

do bloco, Fig. 56. A inclinação da praia na zona de rebentação do perfil rebaixado utilizado nesta

simulação foi ligeiramente superior à do perfil inicial, portanto o aumento da submersão do bloco de

aproximadamente 1 cm para cerca de 7 cm terá sido o fator com maior influência na diminuição do

coeficiente de reflexão e na maior proximidade deste valor ao obtido nos ensaios do modelo físico.

Fig. 56 – Comparação dos coeficientes de reflexão para o modelo liso do SWED-block, nas condições de baixa-

mar

Com a utilização de um perfil de praia rebaixado pretendia-se garantir uma submersão apropriada do

bloco comparativamente àquela que se verificou nos ensaios experimentais. Deste modo, procurou-se

estabelecer uma relação entre a análise das três simulações para os três níveis de água diferentes

utilizando o perfil inicial da praia, com uma simulação com o nível de água de baixa-mar em que o bloco

se encontrava com uma submersão próxima da verificada no final dos ensaios laboratoriais.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)

Perfil da praia Nível de baixa-mar

0,220,20

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão

Modelo Numérico Modelo Físico


68

Em termos de reflexão, a simulação com uma altura de água igual a 0.39 m resultou num coeficiente de

reflexão de 19.7%, sendo que nesta nova simulação para o perfil rebaixado, o coeficiente de reflexão foi

de 21.5%, existindo apenas uma diferença de 1.8% entre as duas simulações.

Para analisar o comportamento do escoamento na proximidade do bloco, fez-se uma comparação das

velocidades entre as duas simulações para os mesmos instantes da passagem de uma onda. A análise da

Fig. 58 permite perceber que as características do escoamento nas duas simulações são idênticas, com

velocidades na envolvente do bloco semelhantes. Em ambos os casos, ocorre a formação de um vórtice

a sotamar do bloco, no entanto, no segundo caso o vórtice é maior.

Na simulação para o perfil rebaixado da praia, a presença do vórtice a sotamar do bloco poderá ser a

razão da ocorrência da fossa de erosão que se verificou nessa zona nos ensaios experimentais. O vórtice

apresenta um tamanho considerável e velocidades que deverão ser suficientes para arrastar os

sedimentos dessa zona para sotamar e promover o desenvolvimento da fossa de erosão. Na ¡Error! No

e encuentra el origen de la referencia. é possível observar que existe alguma turbulência cinética a

sotamar do bloco, no mesmo local onde se desenvolve o vórtice observado nos campos de velocidades.

Fig. 57 – Análise do desenvolvimento da fossa de erosão a sotamar: a) estado final do ensaio experimental

(Gomes, 2017); b) campos de velocidades em que é possível observar o vórtice e c) turbulência cinética


69

Nos ensaios experimentais, a fossa de erosão foi-se desenvolvendo ao longo do tempo, acabando por

estabilizar, sem sofrer alterações significativas posteriores (Gomes, 2017). De modo a analisar e

perceber o porquê dessa ocorrência, realizou-se uma nova simulação, em que se adicionaria uma fossa

de erosão ao mesmo perfil da praia, a sotamar do bloco. Com isto pretendia-se explicar a razão para a

estabilização da erosão nesse local.

Fig. 58 – Comparação dos campos de velocidades de duas simulações do modelo liso do SWED-block, nas

condições de baixa-mar: a) Perfil inicial da praia e nível da água em 0.39 m e b) Perfil rebaixado da praia e nível

de água em 0.33 m

Através desta nova simulação pôde-se perceber que a adição da fossa de erosão no perfil da praia não

teve consequências no que diz respeito à reflexão, resultando num coeficiente de reflexão de cerca de

21.8%, nem em relação ao escoamento, no que a visualização dos campos de velocidades permite

concluir. De facto, o vórtice apresenta as mesmas características de tamanho e velocidade em ambas as

situações, sem e com a fossa de erosão, Fig. 59.

Nas condições de preia-mar, a aplicação do perfil inicial da praia no modelo numérico resultou num

coeficiente de reflexão demasiado baixo face ao obtido experimentalmente, Fig. 60. Tal como analisado

nos casos anteriores, a submersão do bloco tem bastante influência nos resultados quanto à reflexão. No

entanto, com a subida do nível de água para o nível de preia-mar, a submersão do bloco deixa de ser um

fator tão influente.

Neste caso, a inclinação do talude da praia onde se dá a rebentação da onda será a variável mais

importante a considerar, e uma aproximação dessa inclinação no modelo numérico para a verificada no

perfil final do modelo físico, deverá traduzir-se num coeficiente de reflexão mais realista e mais próximo

do experimental. A observação dos perfis inicial e final dos ensaios experimentais, permite concluir que

foi na zona de espraiamento, onde o perfil sofreu maiores alterações, sendo visível o aumento da

inclinação do talude nessa zona.

a)

b)


70

Fig. 59 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de baixa-mar, para duas situações distintas:

a) perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado considerando a fossa de erosão

observada no modelo físico


Face aos resultados, decidiu-se simular o modelo liso do SWED-block, nas condições de preia-mar,

utilizando um perfil rebaixado da praia mais semelhante ao perfil final verificado no modelo físico do

que com o perfil inicial. Para este caso, com a subida da profundidade de água, as maiores diferenças

verificadas no modelo físico, entre o perfil inicial e final, foram na zona de espraiamento. Deste modo,

esta foi uma zona de especial atenção no novo perfil rebaixado, pois previa-se que seria o fator mais

influenciador dos resultados, Fig. 61.

a)

b)

0,15

0,38

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão



71

Fig. 61 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block, nas

condições de preia-mar

A consideração de um perfil da praia modificado, semelhante ao perfil final da praia do modelo físico,

originou resultados concordantes com as conclusões e análises anteriormente efetuadas. O coeficiente

de reflexão obtido no modelo numérico foi mais próximo do obtido no modelo físico.


Tal como para as condições de baixa-mar, também para as condições de preia-mar, se verificou no

modelo físico, a formação de uma fossa de erosão a sotamar do bloco e posterior estabilização (Gomes,

2017). Deste modo, decidiu-se realizar uma nova simulação para as condições de preia-mar, utilizando

o mesmo perfil da simulação anterior, adicionando uma fossa de erosão no modelo numérico. Em termos

de reflexão, a adição da fossa de erosão não teve qualquer efeito, pois o coeficiente de reflexão resultante

foi de 37.8%, quase o mesmo valor para a situação sem a fossa de erosão, 37.4%.

Apesar de as velocidades para o escoamento nas duas situações serem semelhantes, observam-se vetores

com maior velocidade junto da fossa de erosão, aquando do refluxo do escoamento, que poderá ser

suficiente para arrastar os sedimentos, podendo ser a explicação da origem da fossa da erosão no modelo

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)


0,370,38

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão



72

físico. Neste caso não foi gerado um vórtice a sotamar do bloco como para o caso nas condições de

baixa-mar, Fig. 63.

Fig. 63 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de preia-mar, para duas situações distintas: a)

perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado com adição da fossa de erosão

observada no modelo físico

Devido à falta de tempo, as duas simulações foram realizadas para uma menor definição da malha,

resultando numa diminuição de qualidade de apresentação dos resultados. Para estes dois casos, optou-

se por não refinar a malha na zona de colocação de sondas virtuais, e por utilizar a malha base descrita

na Tabela 6. No anexo D é possível observar alguns dos resultados obtidos das simulações para os casos

com a presença do modelo liso do SWED-block, tais como as séries temporais da superfície livre da

a)

b)


73

água, a série temporal da separação da onda incidente e da refletida e ainda os campos de velocidade e

da turbulência cinética.

Tabela 6 – Características da malha base 2D usada nas simulações de preia-mar do modelo liso do SWED-block

dx 18.0 m

dy 0.02 m

dz 2.5 m

Nx 900

Ny 1

Nz 150

ΔX 0.02 m

ΔZ 0.02 m

Número de células 135000

4.1.3. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO RUGOSO DO SWED-BLOCK

Em primeiro lugar, o modelo rugoso do SWED-block foi simulado aplicando o perfil da praia inicial dos

ensaios do modelo físico. Tal como aconteceu nos resultados do modelo liso para o perfil inicial da

praia, o coeficiente de reflexão obtido para este caso também foi bastante diferente do experimental,

Fig. 64.

Fig. 64 – Coeficientes de reflexão obtidos para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da

praia nas condições de baixa-mar

Deste modo, tendo em consideração que os resultados numéricos mais próximos dos experimentais

foram para as simulações em que foi aplicado um perfil rebaixado da praia, decidiu-se seguir o mesmo

procedimento para a situação de baixa-mar do modelo rugoso do SWED-block, Fig. 65. Neste caso, o

bloco encontrava-se submerso cerca de 6 cm.

0,26

0,16

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão



74

Fig. 65 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do SWED-block, nas


Tal como para o modelo liso, a aplicação de um perfil rebaixado que garantisse uma submersão do bloco

próxima da verificada no final dos ensaios do modelo físico, resultou num coeficiente de reflexão mais

próximo do obtido experimentalmente. Apesar da maior proximidade entre os dois coeficientes de

reflexão, o valor numérico foi ligeiramente inferior ao experimental, Fig. 66.

Fig. 66 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de baixa-mar

Neste caso, a diferença entre os dois valores poderá ter resultado da inclinação da praia na zona de

rebentação da onda. Através da análise das simulações anteriores, verificou-se que a submersão, para as

condições de baixa-mar, tinha uma elevada influência na reflexão. Contudo, também se percebeu que o

formato da praia no modelo físico, antes dos ensaios da onda mais gravosa, deveria aproximar-se da do

perfil final. Considerando que a inclinação da praia na zona de rebentação do perfil utilizado nesta

simulação era inferior à observada no perfil final dos ensaios experimentais, um aumento dessa

inclinação no perfil do modelo numérico poderia resultar numa melhor reprodução da praia do modelo

físico e assim aproximar-se da reflexão verificada nos ensaios.

De modo a perceber-se como a mudança da inclinação do perfil na zona de rebentação da onda, poderia

influenciar um resultado diferente do coeficiente de reflexão, realizou-se uma nova simulação para um

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)


0,13

0,16

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão



75

novo perfil rebaixado com uma ligeira modificação nessa zona. O resultado obtido para o coeficiente de

reflexão neste caso foi de 18.2%, sendo um resultado mais próximo do obtido no modelo físico do que

a simulação cujo coeficiente de reflexão foi de 12.7%.

Fig. 67 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do SWED-block, com a

ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de baixa-mar

Nos momentos de aproximação da onda à estrutura e da sua passagem, as velocidades observadas são

inferiores às observadas para os mesmos instantes, no modelo liso do bloco. No caso do modelo liso,

verificam-se vetores de velocidades uniformes ao longo da parede lisa de barlamar, mas com valores

elevados na parede vertical do coroamento. Esta parede representa um maior obstáculo ao escoamento

do que a parede lisa, o que justifica as velocidades mais elevadas imediatamente a seguir à passagem da

onda por esta parede. Dadas as elevadas velocidades registadas a sotamar do bloco, o vórtice gerado

apresenta uma dimensão apreciável.

No caso do modelo rugoso, a presença dos degraus na parede de barlamar provoca uma maior dissipação

da energia da onda, levando a que no momento da passagem pela parede vertical do coroamento, as

velocidades observadas sejam inferiores às do modelo liso. Neste caso, o vórtice gerado a sotamar é de

menores dimensões, Fig. 68.

De facto, a análise dos campos de velocidades para os dois modelos do bloco permitiu concluir que, nas

condições de baixa-mar, o modelo rugoso parece dissipar mais energia da onda do que o modelo liso,

sendo que a presença dos degraus na parede de barlamar contribui para esta maior dissipação.

Tal como para a velocidade, analisando a turbulência cinética para os dois casos, pode-se concluir que

no modelo rugoso se observa mais turbulência nas proximidades da parede de barlamar. Deste modo,

admite-se que o aumento da rugosidade, através da adição dos degraus na parede de barlamar, provocou

maior dissipação de energia do que a que se observou no modelo liso, Fig. 69.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)



76

Fig. 68 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas condições de

baixa-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso

a)

b)


77

Fig. 69 – Comparação da turbulência, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas condições de baixa-mar: a)

Modelo liso e b) Modelo rugoso

A aplicação do perfil inicial da praia no modelo numérico resultou numa menor diferença entre os

coeficientes de reflexão obtidos numérica e experimentalmente comparativamente à verificada para o

modelo liso. No entanto, a diferença foi, ainda assim, elevada, Fig. 70.

a)

b)


78


Apesar de a diferença dos valores ser menor do que para o modelo liso, os dois casos são semelhantes.

Os perfis inicial e final dos ensaios do modelo rugoso demonstram que houve um aumento da inclinação

nos últimos 3 m do talude da praia. No modelo físico, a rebentação da onda provoca o espraiamento,

aumentando assim a inclinação do talude da praia naquela zona. Tal como na análise feita para o modelo

liso, o nível de água de preia-mar levou a que as maiores diferenças entre o perfil inicial e final dos

ensaios do modelo físico ocorressem na zona de espraiamento. Seguindo o mesmo raciocínio adotado

para o modelo liso, decidiu-se realizar uma nova simulação para o modelo rugoso, nas condições de

preia-mar, alterando o perfil da praia utilizado no modelo numérico, dando especial atenção à zona de

espraiamento, Fig. 71.

Fig. 71 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do SWED-block, com a

ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de preia-mar

Esta nova simulação, comparativamente à simulação em que se utilizou o perfil inicial da praia, resultou

num coeficiente de reflexão mais próximo do valor experimental, embora ligeiramente superior, Fig.

72. Mais uma vez é possível perceber a influência significativa que o perfil utilizado no modelo

numérico tem nos resultados quanto à reflexão. A diferença entre os dois valores, apesar de ligeira,

deverá estar relacionada com as inclinações do talude da praia na zona de espraiamento que foram

aplicadas no modelo numérico, sendo que um pequeno ajuste nessas inclinações deverá resultar em

0,18

0,33

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Co

ta (

m)

Comprimento (m)



79

valores numéricos e experimentais mais próximos. Devido a limitações de tempo, esta simulação foi

feita com uma malha de menor qualidade, com as características descritas na Tabela 6.


A comparação dos campos de velocidades entre o modelo liso e o modelo rugoso é essencial para o

estudo da eficácia dos degraus no paramento de barlamar do modelo rugoso na dissipação de maior

energia da onda. Tal como nas condições de baixa-mar, observam-se velocidades mais elevadas na

envolvente do modelo rugoso do SWED-block, principalmente na parede de barlamar, onde a maior

rugosidade provocada pela presença dos degraus, provoca maior resistência à propagação da onda. O

aumento da rugosidade devido à presença dos degraus na parede de barlamar do modelo rugoso tinha

como objetivo provocar maior dissipação de energia da onda, sendo que estes resultados estão de acordo

com o esperado, Fig. 73. No anexo E é possível observar alguns dos resultados obtidos das simulações

para os casos com a presença do modelo rugoso do SWED-block, tais como as séries temporais da

superfície livre da água, a série temporal da separação da onda incidente e da refletida e ainda os campos

de velocidade e da turbulência cinética.

Na ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. é possível observar um breve resumo

ompartivo dos resultados numéricos com os resultados experimentais.

Tabela 7 – Resumo comparativo entre os resultados obtidos no modelo físico e no modelo numérico

Coeficiente de Reflexão Modelo Físico Modelo Numérico

Sem Bloco Baixa-mar Hsi = 0.10 m 0.20 0.24 Preia-mar Hsi = 0.13 m 0.37 0.37

Bloco Liso Baixa-mar Hsi = 0.10 m 0.20 0.22 Preia-mar Hsi = 0.13 m 0.38 0.37

Bloco Rugoso Baixa-Mar Hsi = 0.10 m 0.16 0.13 Preia-mar Hsi = 0.13 m 0.33 0.38

0,38

0,33

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

Co

efic

ien

te d

e R

efle

xão



80

Fig. 73 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas condições de

preia-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso


81

5 CONCLUSÕES E

DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

5.1. CONCLUSÕES

O objetivo da presente dissertação foi o estudo de um bloco para proteção costeira, o SWED-block, no

seguimento ao trabalho experimental realizado por Gomes (2017). Este trabalho consistiu em aplicar a

modelação numérica na validação dos resultados obtidos no modelo físico, para os diferentes modelos

do bloco.

O estudo da propagação e interação das ondas com a estrutura e com a praia foi realizada com recurso

a um modelo numérico de Computational Fluid Dynamics, o IHFOAM, desenvolvido pelo IHCantabria,

que atualmente se encontra integrado no software de código livre, OpenFOAM. O IHFOAM é um

modelo baseado nas equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A validação dos

resultados obtidos pela aplicação do modelo numérico foi efetuada comparando esses resultados com os

obtidos no estudo em modelo físico realizado por Gomes (2017), à escala geométrica de 1/15.

Em termos qualitativos, a análise dos resultados das diferentes simulações permitiu concluir que o

modelo numérico consegue simular de forma muito positiva a interação do escoamento com a estrutura

em causa, bem como com o talude da praia. Em termos quantitativos, os coeficientes de reflexão

estimados a partir dos resultados do modelo numérico apenas foram próximos dos observados no modelo

físico nos casos em que se aplicou no modelo numérico um perfil de praia ponderado, rebaixado em

relação ao perfil inicial e um pouco idêntico ao perfil final da praia do modelo físico. Para os casos de

estudo realizados nesta dissertação, a modelação numérica apresenta a desvantagem de não permitir a

aplicação dos fundos móveis tal como no modelo físico, contribuindo para a dificuldade em definir um

perfil da praia adequado e representativo no modelo numérico. De facto, uma das conclusões mais

importantes desta dissertação foi a influência que o perfil aplicado no modelo numérico poderá ter nos

resultados finais.

A sensibilidade do modelo numérico perante o perfil da praia utilizado, advém do facto de que, no

modelo físico foram ensaiadas consecutivamente diferentes características de ondas, em que o perfil da

praia foi apenas registado no momento inicial e final de cada uma dessas séries de ensaios.

Deste modo, tendo em consideração que no modelo numérico apenas se estudou a onda de maior altura

e período, é impossível saber exatamente como seria o perfil da praia no modelo físico imediatamente

antes do ensaio dessa mesmo onda. Perante esta conclusão, o procedimento adotado foi o de considerar

um perfil adaptado, dando especial atenção às duas variáveis que se considerou serem mais importantes

e determinantes para os resultados finais. No caso da BM, conclui-se que a submersão do bloco tem uma


82

influência significativa na reflexão, enquanto que, para o nível de PM, o fator que mais contribui para a

reflexão é a inclinação do talude da praia na zona de rebentação da onda.

5.2. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

Dado o tempo disponível e as dificuldades encontradas para a realização deste trabalho, existem ainda

diversos aspetos a otimizarem relação ao SWED-Block, que poderão dar continuidade ao estudo que foi

realizado nesta dissertação.

O modelo poroso do SWED-Block não foi considerado neste trabalho por se tratar de um bloco com uma

geometria mais complexa do que os restantes modelos, o que obrigaria a uma simulação 3D. Uma

simulação 3D exige um esforço computacional muito superior à 2D, designadamente pelo aumento

significativo do número de células, o que implicaria naturalmente tempos de cálculo mais elevados e

incompatíveis com a duração deste trabalho.

Face à dificuldade em aplicar um perfil da praia no modelo numérico que fosse exatamente o mesmo

que foi testado no modelo físico, seria interessante testar em laboratório, os mesmos modelos do bloco,

utilizando fundos rígidos ao invés de móveis. Deste modo, a comparação entre os resultados do modelo

numérico com os do físico seria mais eficiente e precisa.

Devido à incompatibilidade da versão do OpenFOAM utilizada nesta dissertação com a versão

disponível para instalação do modelo de turbulência modificado, desenvolvido na Universidade de

Ghent, não foi possível estudar a aplicação deste modelo de turbulência na modelação numérica do

bloco. Considerando os resultados obtidos pela aplicação deste modelo nos trabalhos realizados por

Devolder et al. (2017) e Devolder et al. (2018), poderá ser relevante a aplicação deste modelo de

turbulência, e comparar os resultados com os obtidos pela aplicação do modelo kEpsilon, utilizado nesta

dissertação.

Por último, poder-se-ia estudar a otimização do bloco com a implantação de alterações em algum dos

modelos, como por exemplo, o aumento da porosidade no caso do modelo poroso, a alteração da

geometria e dimensão das rugosidades, a modificação na configuração do talude de barlamar e a forma

do coroamento. Também poderia ser importante estudar o funcionamento do bloco para condições de

agitação marítima mais frequente na costa portuguesa em vez das mais extremas.


83

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87

ANEXOS


88


89

ANEXO A

ALGORITMO ADOTADO NAS SIMULAÇÕES


90


91

Fig. 74 – Algoritmo usado nas simulações


92


93

ANEXO B

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK


94


95

SWED-block1


Fig. 76 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida

SWED-block2


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)

GaugeVOF01 GaugeVOF02 GaugeVOF03 GaugeVOF04

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)

Incidente (m) Refletida (m)

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



96


SWED-block3



-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



97

SWED-block4



SWED-block5


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



98


SWED-block6



-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



99

ANEXO C

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK


100


101

SWED-block_liso1

Fig. 87 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil

inicial da praia, para as condições de baixa-mar


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



102

Fig. 89 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia, nas



103

SWED-block_liso2


inicial da praia, para as condições de preia-mar


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



104

SWED-block_liso_h=0.36 m


inicial da praia e subida do nível de água para h=0.36 m


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



105

Fig. 94 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia e subida do

nível de água para h=0.36 m


106

SWED-block_liso_h=0.39m


inicial da praia e subida do nível de água para h=0.39 m


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



107

Fig. 97 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia e subida do

nível de água para h=0.39 m


108

SWED-block_liso6

Fig. 98 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil

rebaixado da praia, nas condições de preia-mar


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



109

Fig. 100 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia, nas

condições de preia-mar


110

Fig. 101 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da

praia, nas condições de preia-mar


111

SWED-block_liso7


rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



112

Fig. 104 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia, nas



113


praia, nas condições de baixa-mar


114

SWED-block_liso8


rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



115

Fig. 108 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia com

fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar


116


praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar


117

SWED-block_liso9


rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



118

Fig. 112 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia com

fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar


119


praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar


120


121

ANEXO D

RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES COM A PRESENÇA DO MODELO RUGOSO DO SWED-BLOCK


122


123

SWED-block_rugoso1

Fig. 114 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando o

perfil inicial da praia, nas condições de baixa-mar


SWED-block_rugoso2

Fig. 116 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando o

perfil inicial da praia, nas condições de preia-mar

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



124


125


SWED-block_rugoso5

Fig. 118 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um

perfil rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



126

Fig. 120 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia,

nas condições de baixa-mar


127

Fig. 121 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado

da, nas condições de baixa-mar


128

SWED-block_rugoso6

Fig. 122 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um

perfil rebaixado da praia, nas condições de preia-mar


0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)


-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Elev

ação

da

sup

erfí

cie

livre

(m

)

Tempo (s)



129

Fig. 124 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado da praia,

nas condições de baixa-mar


130

Fig. 125 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado

da, nas condições de preia-mar

mestre em engenharia civil especializaÇÃo em ......modelaÇÃo numÉrica do desempenho hidrÁulico...

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