Este trabalho trata do desenvolvimento de um gerador e absorvedor dinâmico de ondas para ensaios com modelos de estruturas oceânicas em escala reduzida, em tanques que simulam as condições de operação encontradas no mar. Propõe-se um procedimento para o projeto de geradores absorvedores ativos de ondas do tipo placa basculante. O procedimento desenvolvido é aplicado ao projeto de um protótipo com quatro módulos geradores de ondas. O protótipo resultante foi instalado no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica a fim de ser utilizado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo no estudo de algoritmos de geração e absorção de ondas. Para a medição de altura de onda, foi desenvolvido um sensor por ultra-som utilizando a técnica de pulso-eco e uma guia de ondas. O sensor, fixado junto ao batedor de ondas, é utilizado para a realimentação do controlador de absorção de ondas. Foram realizados ensaios para sua caracterização e comparação com um sensor capacitivo. Nesses ensaios, o sensor por ultra-som apresentou melhor linearidade e resposta dinâmica do que o sensor capacitivo, além de não necessitar de calibração antes de cada ensaio. Foram realizados ensaios com ondas regulares para a avaliação do desempenho do gerador de ondas e para o levantamento das funções de transferência do motor, da onda progressiva longe do atuador H/S e da onda próxima ao atuador H0/S que considera as ondas evanescentes. Os resultados experimentais apresentaram uma boa concordância com o modelo teórico. / This work aims at the development of a wave generator and dynamic absorber to perform tests with models of oceanic structures in reduced scale, in tanks that simulate operating conditions found in the sea. It is proposed a procedure to design absorbing wavemakers of the flap type. The developed procedure is then applied for the construction of an prototype with four wave generator modules. The prototype was installed in the laboratory of the Naval Architecture and Ocean Engineering Departament, to be used by the Polytechnical School of University of São Paulo in the study of wave absorption algorithms. In order to measure wave heights, it was developed a wave height sensor based on ultrasound, applying the pulse-echo technique and a waveguide. This sensor, attached to the flap of the wave generator, is used as part of the feedback system of the wave absorption controller. Tests for its characterization and comparison with a capacitive sensor had been carried out. In those tests, the ultrasonic sensor had presented a better linearity and dynamic response then the capacitive sensor, moreover it does not need calibration before each test. Tests with regular waves had been carried out for the evaluation of the performance of the wave generator and the determination of the transfer functions of the servomotors, of the progressive wave far of the actuator H/S and the wave next to the actuator H0/S that considers the evanescentes waves. The experimental results had presented a good agreement with the theoretical model.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um gerador e absorvedor dinâmico de ondas para ensaios com modelos de estruturas oceânicas em escala reduzida, em tanques que simulam as condições de operação encontradas no mar. Propõe-se um procedimento para o projeto de geradores absorvedores ativos de ondas do tipo placa basculante. O procedimento desenvolvido é aplicado ao projeto de um protótipo com quatro módulos geradores de ondas. O protótipo resultante foi instalado no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica a fim de ser utilizado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo no estudo de algoritmos de geração e absorção de ondas. Para a medição de altura de onda, foi desenvolvido um sensor por ultra-som utilizando a técnica de pulso-eco e uma guia de ondas. O sensor, fixado junto ao batedor de ondas, é utilizado para a realimentação do controlador de absorção de ondas. Foram realizados ensaios para sua caracterização e comparação com um sensor capacitivo. Nesses ensaios, o sensor por ultra-som apresentou melhor linearidade e resposta dinâmica do que o sensor capacitivo, além de não necessitar de calibração antes de cada ensaio. Foram realizados ensaios com ondas regulares para a avaliação do desempenho do gerador de ondas e para o levantamento das funções de transferência do motor, da onda progressiva longe do atuador H/S e da onda próxima ao atuador H0/S que considera as ondas evanescentes. Os resultados experimentais apresentaram uma boa concordância com o modelo teórico. / This work aims at the development of a wave generator and dynamic absorber to perform tests with models of oceanic structures in reduced scale, in tanks that simulate operating conditions found in the sea. It is proposed a procedure to design absorbing wavemakers of the flap type. The developed procedure is then applied for the construction of an prototype with four wave generator modules. The prototype was installed in the laboratory of the Naval Architecture and Ocean Engineering Departament, to be used by the Polytechnical School of University of São Paulo in the study of wave absorption algorithms. In order to measure wave heights, it was developed a wave height sensor based on ultrasound, applying the pulse-echo technique and a waveguide. This sensor, attached to the flap of the wave generator, is used as part of the feedback system of the wave absorption controller. Tests for its characterization and comparison with a capacitive sensor had been carried out. In those tests, the ultrasonic sensor had presented a better linearity and dynamic response then the capacitive sensor, moreover it does not need calibration before each test. Tests with regular waves had been carried out for the evaluation of the performance of the wave generator and the determination of the transfer functions of the servomotors, of the progressive wave far of the actuator H/S and the wave next to the actuator H0/S that considers the evanescentes waves. The experimental results had presented a good agreement with the theoretical model.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores para possibilitar a geração e absorção ativa de ondas. O desenvolvimento compreende: a implementação e a validação do sistema de automação e controle para o tanque de provas; o desenvolvimento de algoritmos para a geração de ondas com batedores do tipo flap, para atender aos casos tipicamente utilizados em ensaios de estruturas oceânicas, tais como ondas regulares e irregulares, com ou sem espalhamento direcional. O sistema desenvolvido fez uso de controladores do tipo CLP (controlador lógico programável) em rede de comunicação industrial usando troca de dados síncrona, como uma solução robusta de automação. Os controladores desenvolvidos foram estudados individualmente para a devida caracterização e identificação dos limites de desempenho. Sensores de ondas ultrassônicos foram desenvolvidos e caracterizados para medir ondas nos atuadores e viabilizar a malha de controle de absorção ativa do tanque de provas. Sensores de ondas capacitivos foram desenvolvidos e calibrados para a medição de ondas nos ensaios experimentais. A validação experimental do funcionamento do sistema de atuação, controle e sensoriamento foi realizada utilizando os equipamentos desenvolvidos. Os testes foram feitos validando o funcionamento dos atuadores, a geração de ondas regulares, a geração de ondas regulares oblíquas e a geração de ondas irregulares de cristas longas. Os testes apontaram que os atuadores dos cantos do tanque, que são fixos, provocam alterações no campo de ondas, tal como a difração de ondas. As flutuações foram avaliadas onde os valores extremos podem chegar a 58% e foi apresentada uma proposta de medidas paliativas. As ondas regulares e irregulares foram validadas para que o tanque seja capaz de realizar ensaios experimentais reproduzindo as condições ambientais da costa brasileira em ensaios com modelos reduzidos. Foram realizadas medições do coeficiente de reflexão das ondas regulares e irregulares geradas no tanque de provas que mostram valores em torno de 10%. Usando a absorção ativa de ondas em duas laterais opostas do tanque, constatou-se que a segunda reflexão (re-reflexão) afeta fracamente o campo de ondas. A fim de demonstrar o potencial do controlador do tanque, foi desenvolvida uma nova técnica para focalização de energia de ondas em tanque de provas, fundamentada na técnica de TR (time reversal), para concentrar ondas em pontos específicos do espaço. Esta técnica foi originalmente proposta para aplicações usando ultrassom na forma de ondas de pressão acústica, mas, devido à semelhança do fenômeno físico, a técnica foi aplicada às ondas de superfície livre da água. Foram realizados três tipos de testes usando TR, e em todos eles a concentração de ondas foi obtida no local e no instante esperados. Concluiu-se, então, que o método funciona mesmo que existam obstáculos à propagação da onda, como difração e reflexão no interior do tanque de provas. Um dos testes estudou as ondas concêntricas geradas por um objeto lançado contra a água; a aplicação de TR resultou em uma onda concentrada no ponto de lançamento. Os fenômenos observados podem servir de paradigma para comparações numéricas e estudos de ondas em meios dispersivos. / This work discusses the development of an automation and control system for ocean tanks with multiple actuators to enable the generation and active absorption of waves. The development includes: implementation and validation of system automation and control to the ocean wave tank, the development of algorithms for generating waves with flap type wave generator for dealing with cases typically used in tests of ocean structures, such as regular waves and irregular, with or without directional spreading. The developed system used PLC controllers (programmable logic controller) and an industrial communication network with synchronous data exchange, which is a robust automation system solution. The developed controllers were individually studied for proper performance characterization. Ultrasonic wave sensors have been developed and characterized to measure waves in the face of actuators and enable the control loop active absorption of the ocean wave tank. Capacitive wave sensors have been developed and calibrated to measure wave in experimental tests. The experimental validation of system actuation, control and sensing system was performed. Validation tests of the operation of the actuators under regular wave generation, irregular wave generation and oblique regular waves were done. The tests showed that the fixed actuators of the corners of the tank cause changes in the wave field such as diffraction waves. The spatial wave field fluctuations can reach 58% and correction procedures were proposed. Regular and irregular waves were validated for the tank to be able to perform experimental tests reproducing the environmental conditions of the Brazilian coast in reduced model tests of offshore structures. Measurements of the reflection coefficient of regular and irregular waves generated in the test tank indicated values around 10%. Using active absorption of waves in two opposite sides of the tank, it was realized that the re-reflection weakly affects the wave field. In order to demonstrating the innovative potential applications of tank, it was developed a new technique to focus wave energy, based on the technique of TR (time reversal) to concentrate waves at specific points in space. This was originally proposed for applications using ultrasound acoustic pressure waves, but due to the similarity of the physical phenomenon, the technique was applied to the waves in the free water surface. Three types of tests were carried out and in each TR concentration wave was obtained in the expected location and the expected time. It was noticed that the method also works even with obstacles to wave propagation, such as diffraction and reflection inside the ocean wave tank. An object thrown against the water, creating concentric waves was studied and after the application of TR resulted in a wave concentrated at the same splash point. The observed phenomena can be considered as a paradigm for numerical comparisons and studies of waves in dispersive media.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores para possibilitar a geração e absorção ativa de ondas. O desenvolvimento compreende: a implementação e a validação do sistema de automação e controle para o tanque de provas; o desenvolvimento de algoritmos para a geração de ondas com batedores do tipo flap, para atender aos casos tipicamente utilizados em ensaios de estruturas oceânicas, tais como ondas regulares e irregulares, com ou sem espalhamento direcional. O sistema desenvolvido fez uso de controladores do tipo CLP (controlador lógico programável) em rede de comunicação industrial usando troca de dados síncrona, como uma solução robusta de automação. Os controladores desenvolvidos foram estudados individualmente para a devida caracterização e identificação dos limites de desempenho. Sensores de ondas ultrassônicos foram desenvolvidos e caracterizados para medir ondas nos atuadores e viabilizar a malha de controle de absorção ativa do tanque de provas. Sensores de ondas capacitivos foram desenvolvidos e calibrados para a medição de ondas nos ensaios experimentais. A validação experimental do funcionamento do sistema de atuação, controle e sensoriamento foi realizada utilizando os equipamentos desenvolvidos. Os testes foram feitos validando o funcionamento dos atuadores, a geração de ondas regulares, a geração de ondas regulares oblíquas e a geração de ondas irregulares de cristas longas. Os testes apontaram que os atuadores dos cantos do tanque, que são fixos, provocam alterações no campo de ondas, tal como a difração de ondas. As flutuações foram avaliadas onde os valores extremos podem chegar a 58% e foi apresentada uma proposta de medidas paliativas. As ondas regulares e irregulares foram validadas para que o tanque seja capaz de realizar ensaios experimentais reproduzindo as condições ambientais da costa brasileira em ensaios com modelos reduzidos. Foram realizadas medições do coeficiente de reflexão das ondas regulares e irregulares geradas no tanque de provas que mostram valores em torno de 10%. Usando a absorção ativa de ondas em duas laterais opostas do tanque, constatou-se que a segunda reflexão (re-reflexão) afeta fracamente o campo de ondas. A fim de demonstrar o potencial do controlador do tanque, foi desenvolvida uma nova técnica para focalização de energia de ondas em tanque de provas, fundamentada na técnica de TR (time reversal), para concentrar ondas em pontos específicos do espaço. Esta técnica foi originalmente proposta para aplicações usando ultrassom na forma de ondas de pressão acústica, mas, devido à semelhança do fenômeno físico, a técnica foi aplicada às ondas de superfície livre da água. Foram realizados três tipos de testes usando TR, e em todos eles a concentração de ondas foi obtida no local e no instante esperados. Concluiu-se, então, que o método funciona mesmo que existam obstáculos à propagação da onda, como difração e reflexão no interior do tanque de provas. Um dos testes estudou as ondas concêntricas geradas por um objeto lançado contra a água; a aplicação de TR resultou em uma onda concentrada no ponto de lançamento. Os fenômenos observados podem servir de paradigma para comparações numéricas e estudos de ondas em meios dispersivos. / This work discusses the development of an automation and control system for ocean tanks with multiple actuators to enable the generation and active absorption of waves. The development includes: implementation and validation of system automation and control to the ocean wave tank, the development of algorithms for generating waves with flap type wave generator for dealing with cases typically used in tests of ocean structures, such as regular waves and irregular, with or without directional spreading. The developed system used PLC controllers (programmable logic controller) and an industrial communication network with synchronous data exchange, which is a robust automation system solution. The developed controllers were individually studied for proper performance characterization. Ultrasonic wave sensors have been developed and characterized to measure waves in the face of actuators and enable the control loop active absorption of the ocean wave tank. Capacitive wave sensors have been developed and calibrated to measure wave in experimental tests. The experimental validation of system actuation, control and sensing system was performed. Validation tests of the operation of the actuators under regular wave generation, irregular wave generation and oblique regular waves were done. The tests showed that the fixed actuators of the corners of the tank cause changes in the wave field such as diffraction waves. The spatial wave field fluctuations can reach 58% and correction procedures were proposed. Regular and irregular waves were validated for the tank to be able to perform experimental tests reproducing the environmental conditions of the Brazilian coast in reduced model tests of offshore structures. Measurements of the reflection coefficient of regular and irregular waves generated in the test tank indicated values around 10%. Using active absorption of waves in two opposite sides of the tank, it was realized that the re-reflection weakly affects the wave field. In order to demonstrating the innovative potential applications of tank, it was developed a new technique to focus wave energy, based on the technique of TR (time reversal) to concentrate waves at specific points in space. This was originally proposed for applications using ultrasound acoustic pressure waves, but due to the similarity of the physical phenomenon, the technique was applied to the waves in the free water surface. Three types of tests were carried out and in each TR concentration wave was obtained in the expected location and the expected time. It was noticed that the method also works even with obstacles to wave propagation, such as diffraction and reflection inside the ocean wave tank. An object thrown against the water, creating concentric waves was studied and after the application of TR resulted in a wave concentrated at the same splash point. The observed phenomena can be considered as a paradigm for numerical comparisons and studies of waves in dispersive media.