ARUT 09/2023 – Cercetări privind atenuarea energiei valurilor utilizând saltele submerse
Titlu proiect
Cercetări privind atenuarea energiei valurilor utilizând saltele submerse
Director de proiect: șef lucrări dr. ing. Iulian IANCU
Rezumat
Proiectul își propune cercetarea și perfecționarea unei soluții de atenuare a energiei valurilor utilizând saltele submerse, prin testare pe model fizic la scară redusă în canalul de valuri, precum și prin modelare matematică. Măsurătorile vor fi efectuate într-o gamă largă de valori pentru parametrii determinanți ai valurilor. Modelul matematic va permite evaluarea eficienței soluției de atenuare a valurilor funcție de caracteristicile constructive și de parametrii determinanți ai valurilor.
Relevanță științifică
Eroziunea costieră, proces natural întâlnit de-a lungul țărmurilor din întreaga lume, este datorată acțiunii valurilor și curenților care conduc la antrenarea sedimentelor. În contextul schimbărilor climatice (fenomene meteo extreme), s-a constatat intensificarea semnificativă a eroziunii zonelor costiere, în special prin creșterea înălțimii valurilor datorită severității furtunilor. Plajele suferă o eroziune atunci când pierd sedimente prin: (a) transportul sedimentelor în lungul țărmului, datorită curenților marini longitudinali, (b) transportul sedimentelor în larg datorită acțiunii valurilor. România este una din țările care se confruntă cu această problemă, principalele zone afectate aflându-se în partea de sud (cu baza turistică cea mai dezvoltată) a litoralului românesc, unde se apreciază că anual dispar cca. 3 m de plajă. Efectele economice ale acestui fenomen sunt extrem de grave, de la diminuarea potențialului turistic al plajelor și până la subminarea stabilității unor importante clădiri care riscă să se prăbușească. În trecut, eroziunea de pe litoralul românesc al Marii Negre era contracarată de aportul aluvionar din Dunăre care în prezent s-a redus drastic, odată cu realizarea CHE Porțile de Fier I și II. În această situație, se impune limitarea puterii erozionale a valurilor, corelat cu proiectele de lărgire a plajelor. Mecanismul eroziunii plajelor de către valuri este bine cunoscut: valurile care acced la țărm „mușcă” continuu din nisipul plajei, fiind stabilit științific faptul că în faza de retragere a valului, o cantitate mai mare de nisip este atrasă în mare comparativ cu cantitatea de nisip împinsă de val către plajă în faza ascendentă. Mecanismul propagării valurilor care acced la țărm este unul complicat, mișcarea ondulatorie fără transport de masă transformându-se într-una cu transport de masă, cu deferlare și cu ultima fază, cea de ”run-up”, adică cu ascensionare pe panta țărmului. În ultima instanță însă, acțiunea erozivă a valurilor depinde de energia acestora în vecinătatea țărmului, energie care trebuie diminuată cât mai mult posibil. Există mai multe tipuri de structuri de protecție a zonelor costiere: diguri sparge-val, diguri transversale, pereți verticali de protecție, epiuri/pinteni de stabilizare, diguri prag. Reducerea energiei valurilor prin utilizarea structurilor de protecție costieră clasice, și-a dovedit, în timp, ineficacitatea în ceea ce privește scopul propus. Acest lucru este vizibil și se datorează, în principal, faptului că golurile de mari dimensiuni care caracterizează structura actuală a digurilor nu reduc în mod substanțial viteza apei, fie cea a curenților, fie cea oscilantă datorată acțiunii valurilor. Astfel, transportul nisipului sau chiar a unor anrocamente de mici dimensiuni prin corpul digului nu poate fi împiedicat și, în plus, se produce și o deteriorare a digului însuși prin tasarea acestuia și prin fenomenul de subducție (antrenarea nisipului din fundația digului). Fiind vorba de o problemă de mediu cu profunde implicații socio-economice, se impune găsirea urgentă a unor soluții, altele decât cele clasice (cu diguri) care, pe lângă ineficiența demonstrată faptic, sunt și extrem de costisitoare, atât ca investiție cât și pentru întreținere și remediere. În ultimii ani s-au dezvoltat și tehnologii noi, cum ar fi utilizarea flotorilor, a pernelor de aer submerse și chiar folosirea undelor sonore pentru a atenua forța valurilor. Prezentul proiect propune studierea eficacității saltelelor submerse pentru reducerea energiei, implicit a amplitudinii, valurilor, cu efect benefic direct asupra puterii erozionale a valurilor și a protecției zonei costiere. Folosirea saltelelor submerse are avantaje nete în raport cu digurile folosite în prezent; dintre acestea, cele mai importante sunt: cost de investiție mult mai redus, costuri de întreținere practic nule, fiind submerse, nu deteriorează peisajul marin și nu afectează activitățile de la suprafață (navigația în general și sporturile marine în particular), fixează nisipul de pe fundul mării, împiedicând antrenarea acestuia de către curenții longitudinali. Studiul pleacă de la soluțiile tehnice propuse într-o propunerea de brevet de invenție, pe care le va optimiza prin modelare la scară redusă și cercetare experimentală în canalul de valuri. Se vor studia variante constructive și de amplasare a saltelelor submerse, urmărindu-se optimizarea acestora, respectiv un randament maxim la un cost minim, prin corectarea caracteristicilor constructive ale saltelei (lungime, grosime, elasticitate, permeabilitate) la caracteristicile valurilor (amplitudine, perioadă, lungime de undă).
Obiective și activități
Obiectivul general al proiectului realizarea unui model cuplat, fizic și numeric, pentru atenuarea energiei valurilor prin utilizarea de saltele submerse. Pentru atingerea obiectivului general se va urmări realizarea a două obiective specifice.
Obiectivul specific 1 constă în dezvoltarea și testarea în canalul de valuri a unei model fizic. Acest obiectiv implică:
- (1) realizarea modelului fizic la scară redusă,
- (2) testarea eficienței modelului,
- (3) optimizarea din punct de vedere constructiv a modelului.
Figura mai relevă faptul că se intenționează să se cerceteze două forme constructive ale saltelei, prima cu un miez omogen și, a doua, confecționată din perne gonflabile cuplate cu ștuțuri. Acestea se caracterizează prin lungime și grosime, dar și prin elasticitate și prin rezistența hidraulică a miezului omogen, respectiv a ștuțurilor. Doi traductori de nivel vor măsura amplitudinea valurilor la „intrare” și respectiv la „ieșire”, iar randamentul saltelei va fi dat de raportul acestor amplitudini. Măsurătorile vor fi efectuate într-o gamă largă de valori pentru parametrii determinanți ai valurilor, precum și pentru mai multe valori ale rezistenței hidraulice interne a saltelei.
Obiectivul specific 2 constă în realizarea unui model matematic pentru calculul și optimizarea saltelei submerse. Acest obiectiv va beneficia de rezultatele măsurătorilor experimentale, care vor furniza valori corecte pentru coeficienții din formulele modelului matematic, și vor permite calibrarea și validarea modelului matematic. Se vor dezvolta diverse scenarii de modelare, modificând parametrii determinanți ai valurilor (în special, pentru valurile de furtună), pentru evaluarea eficienței saltelei, în funcție de caracteristicile constructive ale acesteia.
Rezultate și Impact
Rezultatele preconizate ale proiectului sunt date de:
- (1) cercetarea și optimizarea din punct de vedere constructiv a soluției de saltea submersă pentru atenuarea valurilor,
- (2) realizarea modelului fizic și testarea eficienței acestuia în canalul de valuri,
- (3) dezvoltarea de scenarii pe modelul matematic calibrat pentru calculul și optimizarea saltelei submerse,
- (4) diseminarea rezultatelor prin: participarea la conferințe, publicarea mai multor articole științifice (minim un articol indexat ISI), realizarea unui site web al proiectului,
- (5) dezvoltarea unei direcții de cercetare în cadrul programului de doctorat al doctorandului implicat în proiect,
- (6) posibilitatea, funcție de rezultatele obținute, de depunerea unei cereri de brevet complementar la brevetul de invenție principal cu soluții tehnice de eficientizare a saltelei submerse (lungimi și costuri minime care să asigure un randament maxim),
- (7) posibilitatea de scriere a unei noi aplicații de proiect de cercetare care să dezvolte direcțiile de cercetare rezultate din proiect. În măsura în care rezultatele proiectului își vor dovedi eficiența în atenuarea valurilor și protecție anti-erozională, impactul proiectului poate fi unul major în ceea ce privește soluțiile de protecție a zonelor costiere, implicațiile socio-economice și de mediu putând fi importante. Se pot dezvolta noi direcții de cercetare în ceea ce privește implementare soluțiilor propuse, în principal prin trecerea soluției propuse de la nivelul de maturitate tehnologică TRL 3-4 către TRL 5-6 (adică de la demonstrarea conceptului privind funcționalitățile, caracteristicile și validarea soluției de saltea submersă în condiții de laborator, la validarea și demonstrarea funcționalității soluției în condiții relevante de funcționare).
Metodologie
Durata propusă de realizare a proiectului este de 12 luni. Metodologia și instrumentele de cercetare folosite vor fi în concordanță cu obiectivele proiectului. Obiectivele proiectului vor fi îndeplinite prin trei tipuri principale de activități.
Activități de dezvoltare experimentală care constau în:
- (a) studiul critic al soluțiilor constructive de atenuare a energiei valurilor,
- (b) realizarea modelului fizic și testarea eficienței lui în canalul de valuri (se va analiza influența atât parametrii determinanți ai valurilor: amplitudine, lungimea de undă, cât și dimensiunile constructive ale saltelei submerse, evaluându-se randamentul saltelei, impactul asupra distribuției de viteză în secțiunea de intrare, respectiv ieșire de pe salteaua submersă etc.),
- (c) realizarea unui model matematic pentru calculul și optimizarea saltelei submerse astfel încât aceasta să aibă un randament maxim,
- (d) optimizarea soluției de atenuare a valurilor.
Activități de management care vizează bună desfășurare a proiectului, atingerea obiectivelor asumate prin proiect, dar și desfășurarea activităților ce privesc logistica proiectului și partea de diseminare a rezultatelor.
Activități de diseminare a rezultatelor care se vor desfășura pe întreaga perioadă de desfășurare a proiectului, dar și după implementare acestuia. Acestea vizează diseminarea rezultatelor proiectului în cadrul conferințelor tehnice internaționale și naționale, în cadrul revistelor de specialitate, dar și în cadrul unui site web special realizat pentru proiectul propus în care vor fi încărcate toate rezultatele cercetărilor efectuate.
Diseminarea rezultatelor
Research on Wave Energy Attenuation Using Submerged Mats, Iulian Iancu. Alexandru Nicolae Dimache, Oana Ștefania Bucur, Aquatic and Costal Ecosystems: Challenges and Opportunities towards Sustainable Development, 16-17 noiembrie 2023, Rostock, Germania – poster în cadrul sesiunii 1 – Costal Engineering
Book of abstracts