Simulazione numerica di frangiflutti sommersi

The present thesis work aimed to find new fields of application for the numerical method for the simulation of fluid-dynamics and fluid-structure interaction (FSI) problems, based on the Particle Finite Element Method (PFEM), developed by DICA-Politecnico Di Milano. The field of maritime and coastal hydraulics was thought to be of interest in this sense for two reason. Firstly because structures positioned in this area are commonly under the effects of complex fluid-dynamic processes created by the interaction and breaking of sea waves on the structure itself and secondly because, even today, is not standard practice to use appropriate numerical models to check and implement the structural and hydraulic design for this kind of structures. From the whole of the different man-made coastal or maritime structures in this work we focused on submerged breakwaters used to defend the coast from the erosion due to sea waves. This choice was made because typically both the hydraulic and structural design of this kind of structure, nowadays of big interest due to the extension of coastlines that suffer from erosion and the potential economic damage that can be caused, are based on empirically fitted formulation. Thereby is common to check the final design with some physical model in a wave-flume or wave-tank but this can be very costly both in the economical and temporal sense. For this reason, an efficient and precise numerical model for the simulation of submerged breakwaters can be very convenient. The first step was to find an efficient way to generate numerically the different waves of interest, and to modify the numerical method consequently. After that, emulating what is done in classic physical model in coastal laboratories, some validation tests were conducted and then several different geometries of submerged breakwaters were simulated, both in 2D and 3D, comparing the results with a modern and widely used empirical formulation. In the end, an advanced kind of submerged breakwaters, created with an ensemble of individual concrete units, were analyzed. This new solution enables to combining the engineering need of coastal protection with the possibility of enhancing the habitat of beach that is protected, helping both fish and algae to flourish in and around the structure. The developed method always gave promising results, suggesting that with some improvement it can become an efficient tool for the study of different coastal or marine engineering problems.

Il seguente lavoro di tesi ha voluto individuare un nuovo campo di applicazione per il metodo numerico per simulazioni di problemi fluido dinamici e di interazioni fluido-struttura (FSI), basato sul Particle Finite Element Method (PFEM), sviluppato dal Dica-Politecnico di Milano. Si è ritenuto come interessante il settore dell’idraulica marittima, sia perché le opere d’ingegneria civile posizionate in questo campo sono sottoposte a complessi fenomeni di fluido dinamica creati dall’interazione ed il frangimento delle le onde in arrivo sulle strutture stesse e sia perché non è tutt’ora pratica standard, durante la progettazione delle opere, quella di utilizzare appropriati modelli numerici per controllare il corretto dimensionamento e funzionamento idraulico e strutturale delle stesse. Tra le varie tipologie di opere d’ingegneria costiera in questa tesi ci si è concentrati sui frangiflutti sommersi per la protezione della costa dall’erosione dovuta dall’attacco ondoso. Questa scelta è stata fatta in quanto la progettazione di questa tipologia di strutture, d’interesse attuale data l’estensione del fenomeno dell’erosione costiera e dei danni da esso causati in Italia, sia per quanto riguarda il funzionamento idraulico sia per la stabilità strutturale è ad oggi basata su diverse formulazioni di derivazione empirica. Successivamente è comune verificare il dimensionamento attraverso dei modelli fisici in canale che tuttavia risultano molto costosi sia dal punto di vista economico che temporale. Un adeguato metodo numerico per la simulazione dei frangiflutti sommersi risulterebbe quindi molto vantaggioso. Il primo passo è stato quello di individuare una efficace metodologia per sviluppare numericamente le varie onde d’interesse e di modificare coerentemente il metodo numerico per consentire questa generazione. Successivamente, emulando quanto fatto nei canali utilizzati nei laboratori di ingegneria marittima, sono state effettuate prima alcune analisi di validazione e successivamente si sono andate a simulare diverse geometrie di frangiflutti sommersi in 2D e 3D confrontando i risultati con una formulazione empirica in auge. Infine, si sono simulate tipologie più innovative di frangiflutti sommersi, costituiti da un insieme di unità realizzate in calcestruzzo, che consentono di legare le esigenze ingegneristiche di protezione della costa con l’opportunità di migliorare l’habitat della spiaggia in cui vengono inserite, favorendo il ripopolamento ittico e di flora marina. Il metodo sviluppato si è rilevato efficace, aprendo una strada a perfezionamenti ed aggiornamenti successivi per permetterne un conveniente utilizzo per lo studio di diverse tipologie di strutture marittime/costiere.