Entre surfistas siempre existió sumo interés por las olas y su generación, el modo en que rompe cada una de ellas, el porqué algunas son surfeables y otras no, cómo es que algunas ofrecen buenso tubos, largos recorridos y revolcadas que parecen interminables, así mismo, explicarse como y porque es qué se produce el fenómemo de la rotura o quiebre de la ola. Ahora, gracias a las investigaciones en ingeniería hidráulica costera, no sólo existe la posibilidad de satisfacer esa sed de conocimiento acerca de las olas, sino que además, ahora la ingeniería cuenta con herramientas como el fundamento teórico de hidráulica costera, pudiendo desarrollar una aplicación técnica para modificar la forma de quiebre, recorrido y velocidad de las olas.

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En la zona costera mediterránea se llevan a cabo una gran cantidad de actividades socioeconómicas. En estas áreas los eventos meteorológicos son un factor importante para su manejo y gestión. Esto ha generado la necesidad de mejorar el conocimiento y la predicción de eventos como las tormentas de oleaje. Por ello, se ha planteado como objetivo principal de esta tesis la caracterización y simulación numérica de tormentas de oleaje.La generación del oleaje es el resultado del sistema acoplado océano - atmósfera. Esta interface y los flujos de momentum entre ambas capas ha sido de interés y ha generado una gran cantidad de investigaciones. Un avance importante ha sido el desarrollo de los modelos de tercera generación de oleaje, capaces de predecir espectros de oleaje a partir de campos de viento. Estos modelos que constituyen la base de esta tesis, consideran el aporte de energía por el viento, la disipación e interacciones no lineales entre ondas.Para este trabajo se han utilizado los modelos WAM y SWAN junto con mediciones de oleaje en la costa catalana. Para forzar los modelos se han utilizado campos de vientos de los modelos atmosféricos MASS ARPEGE. Se han utilizado también datos de viento de estaciones meteorológicas costeras.El viento y oleaje en la franja costera catalana están caracterizados principalmente por componentes del este, noroeste y del sur. Para el caso de tormentas con impacto en la costa, las del este son las más intensas, pero las tormentas del Noroeste pueden generar condiciones de riesgo para la navegación.Se han descrito tormentas características de la costa catalana, considerando su dirección, duración, e intensidad. De manera paralela se han analizado mas detalladamente dos eventos particulares que se registraron en Noviembre 2001 y Marzo-Abril 2002. Ambas tormentas presentaron oleaje de componente principal del este y una cantidad importante de espectros bimodales. Esta característica no se había estudiado a detalle con anterioridad y se debe al oleaje swell del este y a la rotación de los vientos en la costa catalana para volverse del noroeste generando localmente un sistema de oleaje en esta dirección. Debido a esto, la anchura espectral se comporto de manera opuesta a la esperada, pero mostró ser un indicador de la complejidad del estado del mar por lo que se propone que sea utilizada en la estimación del coeficiente de arrastre.Se han utilizado los modelos de oleaje en diferentes situaciones: en un dominio idealizado, en los eventos de Noviembre y Marzo - Abril y durante el invierno 2002 -2003. Los resultados muestran diferencias entre modelos en tiempo y espacio. Utilizando el parámetro integrado de Hs el SWAN mostró un mejor comportamiento para la detección de tormentas. Sin embargo el espectro del WAM mostró en la mayoría de los casos aproximarse mas al espectro medido. Una parte de los errores registrados en los modelos durante las tormentas, se debieron a la mala simulación de la bimodalidad la cual a su vez se debe a una mala resolución espacial y temporal tanto de los modelos de viento como de oleaje. La correcta definición espacial de las islas en el mediterráneo mostró ser poco significante para la validación de las predicciones en la zona costera catalana.Finalmente debemos decir que a pesar de que este trabajo ha avanzado en el conocimiento del oleaje en la costa catalana y el comportamiento de los modelos, este solo es el principio y se debe de dar continuidad a este esfuerzo. Una manera (indispensable) es mejorando las observaciones disponibles e incluir medidas espaciales (satélite, por ejemplo) para la mejor descripción y validación de los modelos. / Many socio-economic activities take place on the Mediterranean coast. Meteorological events are an important factor for the proper management and administration of these activities in this area.This has inspired an improvement of knowledge and forecasting of environmental phenomena such as wave storms. Thus, the main objective of this dissertation is the characterisation and numerical simulation of wave storms.The generation of wind waves are the result of the coupled system which connects the air and the ocean. This layer, and its fluxes, have been of great interest and generated a large amount of research. The development of third generation wave models has been an important step. Such models are able to reproduce directional wave spectra from wind fields taking into consideration wind energy input, dissipation and non-linear interactions. These models are the basis of this dissertation.For this work, we have used the WAM and SWAN models, together with the wind and wave measures on the Catalan coast. The forcing winds came from the MASS and ARPEGE atmospheric models.The wind and waves on the Catalan coast are characterised by an east, northwest and south component. For coastal damage, the storms from the east cause the most severe coastal damage while the northwest storm can create risky conditions for navigation.Typical storms on the Catalan coast are described, taking into account the direction, duration, and significant wave height. Additionally, it was studied in detail two severe storms that were measured during November 2001 and March-April 2002. Both storms presented a mean eastern wave component, however, a large amount of bimodal spectra were found. This feature had not been studied before at this area and it is produced due to the wind rotation (to northwest) at the coast because of the orography. This produces a different behaviour of the spectral width than expected, but such a parameter was an indicator of the complexity of the sea state and thus it is proposed to apply it in the drag coefficient estimation.The wave models were applied under different situations: idealised domain, November 2001 and March-April storms and during a winter period. The results show differences between models in time and space. When considering significan wave height, the SWAN model showed a better behaviour for storm detection. However, the spectral shape was better predicted by WAM. Part of the errors were due to the bad simulation of bimodal features, and at the same time, this was produced by the coarse time and spatial resolution of wind and wave models.Finally we have to outline that this work is an advance in the knowledge of waves on the Catalan coast and the behaviour of the models. However, this is only the beginning and an effort should be made for the continuos development and improvement on this topic. A good start is by increasing the wind and wave measurements available including spatial measures, such as satellite, for the better description and model validation.

En el presente trabajo de tesis se desarrolla el diseño energético de una turbina de impulso auto-rectificante de 15 W para el laboratorio de energía (LABEN) de la PUCP. Esto se hace en base a recomendaciones y datos experimentales de investigaciones previas, primero seleccionando el tipo de turbina a tratar en el trabajo y posteriormente definiendo la geometría tomando la base teórica sobre este tipo de turbomáquinas. El diseño se basa en teoría bidimensional de turbomáquinas, principalmente la fórmula de Euler, como también en correlaciones experimentales para la estimación de pérdidas a través de la turbina, como las de Soderberg, Ainley y Mathieson, entre otros. Se utiliza una metodología basada en las correlaciones de pérdidas y la teoría básica de turbinas auto-rectificantes para que con la ayuda de un software computacional (específicamente MathCad) se logre predecir el comportamiento de la turbina. Los resultados analíticos de esta metodología son comparados con datos experimentales de otros autores obteniendo resultados satisfactorios. Se realiza un cálculo iterativo para seleccionar el diámetro y obtener simultáneamente la potencia deseada. Este cálculo iterativo se realiza al reemplazar diferentes diámetros y aplicar el modelo de MathCad junto con los datos de la instalación del LABEN que se selecciona para el trabajo. Finalmente, habiendo verificado que la metodología empleada corresponde con la realidad y habiendo definido las dimensiones de la turbina, se procede a realizar el diseño en 3D de esta, como también los cálculos de resistencia para verificar que no falle mecánicamente. Para la turbina del proyecto, se propone la instalación para el LABEN como también los ensayos a realizar, equipos a utilizar y las gráficas a obtener en base a los datos. / Tesis

La energía undimotriz es aquella energía producida por el movimiento de las olas. Se trata de una energía renovable y limpia la cual aún no ha sido explotada en nuestro país como una alternativa de generación de energía. La extensa costa chilena, junto con la variedad en climas de ola que posee y la presencia del oleaje durante todo el año otorgan a Chile una alta potencialidad para la instalación de centrales que utilicen tecnologías que aprovechen la energía de las olas. El presente tema de investigación estudió, bajo criterios técnicos y económicos, la factibilidad de implementar esta tecnología en la costa chilena, para lo cual se seleccionó dos sistemas distintos que usan la energía de las olas, dentro de los disponibles en el mercado, los cuales fueron evaluados en tres puntos específicos en la costa, obteniendo la potencia generada y el factor de planta correspondiente a cada caso. Con esto fue posible determinar el mejor sitio para la instalación de dos centrales, cada una usando uno de los sistemas evaluados, la inversión involucrada en cada proyecto, y el costo del MWh generado por cada una de ellas. Con esto fue posible concluir que la generación eléctrica aprovechando el oleaje marino es una alternativa viable de implementar en Chile desde el punto de vista técnico, obteniéndose factores de planta razonables dentro del rango de las energías renovables que son utilizadas en la actualidad, los cuales mejoran considerablemente mientras más expuesto al oleaje sea el sitio en donde se instale una central de estas características. Sin embargo, de acuerdo a la magnitud de las inversiones involucradas en los proyectos y los costos estimados del MWh generado para cada caso, y en estrecha relación con los precios a los que se comercializa la energía en nuestro país, ambos proyectos evaluados no son rentables y no recuperan la inversión dentro de su vida útil. Esto crea la necesidad de una reestructuración en las políticas energéticas nacionales para que proyectos de esta naturaleza sean rentables por si mismos, implementando tarifas diferenciadas que incentiven la inversión en energías renovables limpias, y reconociendo, para esta tecnología en particular, un pago por potencia instalada, gracias a la presencia sin interrupción de oleaje durante todo el año que asegura un mínimo de energía generada.

Se realizó una investigación en el tema de la Hidrodinámica de sistemas acuáticos ambientales, específicamente, acerca de los procesos de flujo y transporte en la capa límite béntica de estuarios afectados por oleaje. Este estudio se enmarca dentro del proyecto FONDECYT “Turbulencia y Transporte en la capa límite béntica de Lagos y Estuarios, Estudio de Terreno y Modelación”. Los experimentos fueron realizados en un canal abierto de 12 m de largo y 0.3 m de ancho, con un lecho de sedimentos de arena uniforme de 0.5 mm. Se instalo un generador de oleaje en el extremo de aguas abajo. Sus frecuencias de oscilación fueron controladas mediante una computadora. En un tramo central del canal, de 0.5 m de largo, el lecho fue aislado y saturado con un trazador, el cual fue inyectado a través de agujeros ubicados en el fondo. Además se utilizó una esponja como difusor, la cual permite obtener una concentración uniforme y homogénea del trazador en el lecho de sedimentos. Se utilizó una solución salina de concentración baja como trazador, para poder detectarlo en el flujo con la ayuda de un sensor de conductividad. La cota del estanque principal que contiene la solución salina se mantuvo constante e igual al nivel medio de la superficie libre del canal, para así no crear un flujo artificial del trazador hacia la columna del agua. Se utilizó un sensor eléctrico para registrar la altura del flujo y el período de onda. Un sensor de velocidad tipo ADV y un sensor de conductividad, fueron utilizados para medir la estructura de la turbulencia en el flujo y la concentración de sal en la columna del agua, a lo largo de varios perfiles situados en la línea central del canal, en la región donde el trazador fue inyectado al lecho de sedimentos. Se realizaron 3 tipos de experiencias para 2 caudales distintos: una experiencia solo con flujo gravitacional y otras 2 con oleaje de períodos distintos. Se integraron los perfiles de concentración del trazador a lo largo del volumen de control, para determinar el intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos. Se utilizó un modelo lineal de intercambio de masa, considerando la diferencia entre las concentraciones de sal en los sedimentos y la columna del agua, para así determinar un valor del coeficiente total del intercambio. Se adimensionalizó el coeficiente de intercambio mediante el número de Sherwood y se graficó en función del número de Reynolds del flujo. Los resultados obtenidos demuestran que existe un aumento del número de Sherwood a medida que aumenta el número de Reynolds, es decir, la turbulencia generada por el flujo provoca aumento en la transferencia de masa. Esto último es consecuente con los resultados obtenidos en experiencias similares de transferencia de oxígeno disuelto. Además, se concluyó que el efecto de agitación por oleaje aumenta el valor del coeficiente total de intercambio y por ende del número de Sherwood, para un mismo número de Reynolds. El efecto de las olas modifica la estructura del flujo y la turbulencia, aumentando los gradientes de velocidades, la energía cinética turbulenta y la componente vertical de la velocidad, lo que provoca el aumento del intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos.

Ingeniero Civil / El oleaje offshore puede ser caracterizado por modelos de generación de oleaje a partir de información de viento atmosférico hindcasting. Los resultados obtenidos deben ser calibrados a través de registros de oleaje para brindarles mayor utilidad en ingeniería. La manera más práctica de obtener una base de datos para realizar la calibración es mediante mediciones de olas con altimetría satelital. El mayor desafío consiste en asociar los datos altimétricos de olas con las salidas de modelos de hindcasting globales, ya que la probabilidad de que el satélite pase por el punto exacto y en el mismo instante de un dato simulado, es muy baja. Dado lo anterior, se deben definir ventanas temporales y espaciales en las cuales se puedan asociar pares de datos de ambas fuentes de información. El objetivo general del presente trabajo es generar una serie de metodologías de calibración de oleaje de aguas profundas mediante altimetría satelital, y estudiar el impacto de éstas en proyectos de ingeniería de costas desarrollados en Chile. Para lograr lo anterior se comenzó por desarrollar una herramienta de calibración de oleaje similar a la que realizan las firmas de ingeniería que venden este tipo de información. Luego se desarrolló una variación de lo anterior donde se pudo verificar si el oleaje de tormenta y de operación, y si los oleajes con diferentes direcciones, y de diferentes periodos requiere ajustes distintos. Se estudió el efecto de estas metodologías en proyectos relacionados con oleaje operacional y en el diseño de estructuras expuestas al oleaje. El trabajo comenzó con una revisión bibliográfica sobre calibraciones de oleaje con satélites. Luego se accedió a las fuentes de información de oleaje medida con satélites y modelada para generar bases de datos con las cuales trabajar. Además, se confeccionaron rutinas de programación para generar climas de oleaje mediante los diferentes métodos de calibración. Finalmente, mediante técnicas estadísticas, se generaron familias de climas de oleaje de aguas profundas. Éstas fueron evaluadas en proyectos de ingeniería de costas.

El estudio de la medida de la salinidad del océano junto con la humedad del terreno constituyen dos de las aplicaciones más importantes dentro del mundo de la teledetección que no han sido estudiadas hasta la fecha. Concretamente esta tesis se va a centrar en la primera de ellas. La concentración salina de los océanos está ligada al clima y, en consecuencia su conocimiento a nivel global en cada instante puede representar un buen índice de referencia a la hora de realizar las predicciones climáticas, ya que es un indicador de las corrientes marinas, y de la diferencia entre evaporación y precipitación. En el mes de mayo de 1999 la Agencia Espacial Europea (ESA) seleccionó la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) con el fin de realizar estudios en ambos campos, utilizando un radiómetro de apertura sintética bidimensional en banda L (MIRAS; Microwave Imagin Radiometer by Aperture Synthesis) instalado en un satélite que se prevé será puesto en órbita a principios del año 2007.Con objeto de mejorar los modelos de emisión del mar en banda L y de estudiar la recuperación de la salinidad mediante medidas radiométricas multiangulares, la ESA aprobó el experimento WISE (WInd and Salinity Experiment) que se realizó a lo largo de dos campañas, durante los últimos meses de los años 2000 y 2001 en la plataforma petrolífera Casablanca, situada 50 Km mar adentro frente a las costas de Tarragona. En dichas campañas participaron cinco grupos de científicos de diferentes países (España, Francia y Estados Unidos).La finalidad de los experimentos fue el estudio de la temperatura de brillo del mar teniendo en cuenta la influencia de su estado provocado por el viento, la espuma, el mar de fondo, etc. Para ello se utilizó un radiómetro de apertura real tipo Dicke completamente polarimétrico, diseñado y construido en la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya) a tal efecto.La tercera campaña, FROG (Foam, Rain, Oil slicks and GPS reflectometry) fue patrocinada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y se realizó durante la primavera del año 2003, junto a la desembocadura del Río Ebro. Ésta consistió en determinar la contribución en la variación de la temperatura de brillo debida a algunos de los efectos ya mencionados tales como: la espuma, la lluvia y las manchas de aceite. Las medidas de la temperatura de brillo se realizaron variando la concentración salina a voluntad, desde 0 psu hasta 38 psu y, estudiando separadamente cada uno de estos efectos.

En el presente trabajo de tesis se desarrolla el diseño energético de una turbina de impulso auto-rectificante de 15 W para el laboratorio de energía (LABEN) de la PUCP. Esto se hace en base a recomendaciones y datos experimentales de investigaciones previas, primero seleccionando el tipo de turbina a tratar en el trabajo y posteriormente definiendo la geometría tomando la base teórica sobre este tipo de turbomáquinas. El diseño se basa en teoría bidimensional de turbomáquinas, principalmente la fórmula de Euler, como también en correlaciones experimentales para la estimación de pérdidas a través de la turbina, como las de Soderberg, Ainley y Mathieson, entre otros. Se utiliza una metodología basada en las correlaciones de pérdidas y la teoría básica de turbinas auto-rectificantes para que con la ayuda de un software computacional (específicamente MathCad) se logre predecir el comportamiento de la turbina. Los resultados analíticos de esta metodología son comparados con datos experimentales de otros autores obteniendo resultados satisfactorios. Se realiza un cálculo iterativo para seleccionar el diámetro y obtener simultáneamente la potencia deseada. Este cálculo iterativo se realiza al reemplazar diferentes diámetros y aplicar el modelo de MathCad junto con los datos de la instalación del LABEN que se selecciona para el trabajo. Finalmente, habiendo verificado que la metodología empleada corresponde con la realidad y habiendo definido las dimensiones de la turbina, se procede a realizar el diseño en 3D de esta, como también los cálculos de resistencia para verificar que no falle mecánicamente. Para la turbina del proyecto, se propone la instalación para el LABEN como también los ensayos a realizar, equipos a utilizar y las gráficas a obtener en base a los datos.

La Tesis Doctoral que se presenta ofrece como resultado de la investigación realizada nuevas fórmulas para la estimación de la reflexión del oleaje en estructuras marítimas antirreflejantes tipo Jarlan (ARJ), aplicables tanto a estructuras de una sola cámara perforada, como a estructuras de doble cámara perforada, sometidas a la acción de oleaje regular y de oleaje irregular. A tenor de la revisión de la literatura existente, la presente Tesis Doctoral se centra en el aporte de un modelo semiempírico de aplicación sencilla que, estando fundamentado en los principios teóricos de la teoría del potencial de flujo, tenga en cuenta las componentes no lineales del fenómeno de disipación del oleaje en este tipo de estructuras marítimas ARJ. Las nuevas formulaciones se validan tomado como base los 1800 ensayos de oleaje regular y 160 ensayos de oleaje irregular realizados en LPC-UPV para los proyectos "Estudio de muelles y diques verticales antirreflejantes: MUDIVAR" (2002-2005) y "Estudio del rebase y la estabilidad de diques verticales antirreflejantes: REDIVAR" (2007-2009); así como, de los resultados de los proyectos "Estudio de muelles de cajones antirreflejantes: MUCAR" (2008-2010) y "Diseño y adaptabilidad de Cajoneros convencionales para la construcción de Diques y Muelles Antirreflejantes: CADIMA" (2008-2011), en la que se consideran diferentes tipologías ARJ, con diferentes porosidades de cámara. Los resultados obtenidos de estos ensayos muestran, en consonancia con otros autores que han realizado experimentos similares, que en estructuras tipo ARJ, el valor del Coeficiente de Reflexión (CR) depende del ancho relativo de la cámara (B/L), pero esta variable no explica por sí sola los resultados observados de CR. Las variables estructurales que se han tenido en cuenta en los experimentos y que, además de la variable B/L, pueden influir en el CR obtenido son el tipo de abertura de las paredes, la porosidad y el número de cámaras. En cuanto a las variables climáticas, además de la longitud de onda, otras variables como la altura de ola han de ser consideradas para explicar el fenómeno de la reflexión en este tipo de estructuras. / Garrido Checa, JM. (2012). Análisis y estimación de la reflexión del oleaje en estructuras marítimas antirreflejantes tipo Jarlan [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14860