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Curso de oleaje ‘03 Curso de oleaje ‘03 1
Modelos Operacionales de Oleaje
R. Padilla Hernandez BIO
Francisco Ocampo Torres CICESE
Curso de oleaje. CICESE ‘03
Curso de oleaje ‘03 Curso de oleaje ‘03 2
CONTENIDO
1. Introducción.
2. Modelos numéricos del oleaje.
3. La ecuación de balance de acción.
4. Términos fuente
5. Modelación numérica
6. WAM y SWAN
7. Sistema Entradas/Salidas
8. GoMOOS: Sistema de predicción de oleaje
9. Batimetría y campos de viento.
10. Simulaciones.
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Las olas tienen un impacto muy importante sobre todos los procesos en la interacción océano atmósfera y también en la mayoría de los procesos costeros.
Impacto del oleaje sobre diferentes procesos oceImpacto del oleaje sobre diferentes procesos oceáánicos y costerosnicos y costeros
1. Introducción1. Introducción
•Físicos: Mareas (interacciones olas-corrientes)
Apilamiento de agua (surge)
Interacciones océano-atmósfera, intercambio de gases, calor, momentum, . . . .
•Geológicos: Transporte de sedimento, configuración de la costa (erosion, depositación), ondulitas, . . .
•Biológicos: Alta productividad orgánica en arrecifes y su distribución, Eclosión de larvas, . . .
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Importancia de contar con predicciones de oleaje confiables:Importancia de contar con predicciones de oleaje confiables:
1. Introducción1. Introducción
•Predicción del estado del mar :operaciones marítimas, explotación de gas y petroleo,. ..•Criterios de diseño (costero y oceánico) (Hindcasting)•Busqueda y rescate •Transporte y dispersion de materia disuelta y en suspension•Estimación de la erosión costera•Rutas de navegación•Diseño y protección de puertos•Seguridad de asentamientos costeros.•..•..
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2. Modelos numéricos2. Modelos numéricos
Modelos numéricos del oleajeModelos numéricos del oleaje
Resueltos en faseResueltos en faseDescripción de la Descripción de la
superficie del mar en superficie del mar en tiempo y espaciotiempo y espacio
Promediados en fasePromediados en faseDescripcion de la superficie del Descripcion de la superficie del
mar en funcion de la densidad de mar en funcion de la densidad de energia espectralenergia espectral
Aprox. HamiltonianosAprox. HamiltonianosAprox. BousinesqAprox. BousinesqEcuacion de pendiente suaveEcuacion de pendiente suave
Aprox. LagrangianaAprox. LagrangianaAprox. EulerianaAprox. EulerianaCombinacion Combinacion
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2. Modelos numéricos2. Modelos numéricos
Energía en frecuencia y dirección, . . . no hay información acerca de la fase . . .
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Modelos EulerianosModelos Eulerianos
2. Modelos numéricos2. Modelos numéricos
Modelos numéricos del oleajeModelos numéricos del oleaje
WAMWAMWave WatchWave WatchSWANSWAN......
HISWAHISWA......
Paramétricos (Hs, Paramétricos (Hs, ffmm))Espectrales F(Espectrales F(ff,θ),θ)
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Modelos EspectralesModelos Espectrales
SWANSWANWAMWAM
Escalas OceanicasEscalas OceanicasGlobal - 10’s kmsGlobal - 10’s kms
Escalas PequeEscalas Pequeñasas100’s km~10’ metros100’s km~10’ metros
Esquema Explicito
CFL-Criterio
Esquema Implicito
No CFL-Criterio
2. Modelos numéricos2. Modelos numéricos
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inStotS 4nlS
..... bkS
wcS
bfS 3nlS
Aguas profundas
Aguas someras
3. Ecuación de balance de acción
Equation de Balance Acción
t
N
)( Ncx x
)( Ncy y
Nc
)( Nc
totS
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4. Términos fuente
Entrada de energía debida al viento: Sin
Phillips’ (1957) Teoría de crecimento lineal
Miles’ (1957) Teoría de crecimento exponencial
Interacciones no-lineales (quadrupletas): Snl4
Hasselman (1962, 1963a, 1963b) Integrales de Boltzmann
Rompimiento en aguas profundas: Swc
Hasselman (1974) “Pulsos de presión”
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Fricción con el fondo: Sbf
Collins (1972)
Hasselman et al. (1974) JONSWAP model
Madsen et al (1988) Viscosidad turbulenta (VT)
Weber (1989, 1991) VT
Christoffersen et al (1985) VT
. . . . .
4. Términos fuente
Interacciones no-lineales (triadas): Snl3
Eldeberky y Battjes (1995)
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Rompimiento inducido por la profundidad: Sbk
Eldeberky y Battjes (1996)
4. Términos fuente
Otros
Dispersión de la energía del oleaje inducidad por irregularidades en el fondo
Disipación de la energía de oleaje debido a la percolación
. . . .
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6. WAM y SWAN
WAMC4-PROMISE1
Modelo de olaje usado principalmente para la simulación del oleaje en aguas profundas e intermedias. (Esquema Explicito)
SWAN2
Simulación del oleaje en intermedias y someras con alta resolución. (Esquema Implicito)
x- espacio geografico
tiem
po
Esquema Explícito
to
t1
CFL limit.
SWAN es, computacionalmente, más barato
x- espacio geografico
tiem
po
Esquema Implícito
to
t1
NO CFL limit.
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6. WAM y SWAN
x
y
Dispersión y Difusion numerica
to t1 t2
θ1
θ2
θ3
f3
f2
f1
Explícito
Implícito
f1, f2 ,f3,
f1 < f2 < f3,
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6. WAM y SWAN
x
y
Dispersión y Difusion numerica
to t1 t2
θ1
θ2
θ3
f3
f2
f1
Explícito
Implícito
f1, f2 ,f3,
f1 < f2 < f3,
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6. WAM y SWAN
WAM
SWAN
Win
d S
pee
d [
m/s
]
Wind Speed at BIO Loc.
JAN ‘02
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SWANSWAN
Limitaciones Limitaciones factores internos y factores internos y
externosexternos
WAMWAM
DifracciónDifracción
Campos de viento y batimetríaCampos de viento y batimetría
Corrientes inducidas por el Corrientes inducidas por el oleajeoleaje
6. WAM y SWAN
Aproximacion de Interacciones Aproximacion de Interacciones discretas (DIA)discretas (DIA)
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7. Sistema entradas/salidas 7. Sistema entradas/salidas
Modelo Numérico de Oleaje
Batimetría
Mareas (η, u)
Surge Viento
F(f,θ), Hs, Tp,m,1,2,... ub, τb, θm,p, . . . ,
Boun. Cond.
u*, zo, Setup, Coef. friccion.
Interacciones océano-atmósfera (temperatura, intercambio de gases, . . .) , Transporte de sedimento, etc. etc., esfuerzos sobre
estructuras,
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8. -GoMOOS
2 Sistemas de anidamiento
(a) WAM-P in WAM-P.
(b) SWAN(fine-grid) in WAM (interm-grid)
Comparaciones entre modelos
Espacio geográfico
Comparacion Modelos-mediciones in situ : DWR y ADCP
Series de tiempo
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8. GoMOOS Depth
GRID-RES [deg] N N t [sec] WIND FIELDS [deg] t [hrs]
COARSE 1.0o 84 56 2400 NOGAPS 1.0o 6
INTERM 0.2 o 191 176 600 COAMPS 0.2 o 6
FINE 0.1 o 91 61 240 COAMPS 0.2 o 6
Jan 10-16, 2002
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8. GoMOOS
Aparato Δt Medic. in situ wamnear ww3 swan
ADCP 2 h. 19 46 43 43
DWR 0.5 h. 19 46 43 43
Profundidad [m]
BIO Location (-66.99, 43.31)
ADCP: Perfilador Acustico Doppler• Propiedades del olejae por medio de la medición
de velocidades orbitales• 3 mediciones independientes:Presion, velocidad
orbital y localizacion de la superficie por medio de eco
DWR: Boya direccional
• Propiedades del olejae por medio del movimiento de la boya
• 3 mediciones independientes : balanceo e-o y n-s, aceleraciones en z.
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9. Campos de viento. Bomba atmosférica. Enero - 2002Bomba atmosférica. Enero - 2002
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10. Simulaciones
Sistema de directorios, subdirectorios y archivos
bin: Archivos de mandos,
exe: Ejecutables
$HOME/../coarse/ inp: Archivos de entrada
/interm/ work: Dir. auxiliar de trabajo (compilar y ligar).
/fine/ output: Resultados.
work: Directorio principal de trabajo.
/tmp/
temp: Directorio temporal (cond. de frontera)
coarse; interm;fine