Numerical Hydro-morphodinamic 2DH model for the shallow waters

In the present thesis a hydro-morphodynamic numerical model is illustrated as a novel contribution to the investigation and prediction of nearshore flows and seabed changes forced by waves and currents. The model includes a robust hydrodynamic solver for the integration of the Nonlinear Shallow Water Equations (NSWE) and a rather flexible solver for the resolution of the Exner equation (used to evaluate the morphological evolution of the sea bottom). Coupling of NSWE and Exner equation and updating of the solution is made by means of a sequential splitting scheme. The model has been validated by reproducing both numerical/analytical tests, present in the literature of the last years, and laboratory experiences performed in the Hydraulic Laboratory of the Università Politecnica delle Marche (AN). The simulation of the existent theoretical solutions led to consistent results for what concerns both hydrodynamics and morphodynamics, especially in the prediction of the seabed evolution due to either bed-load or suspended-load transport after dam-break and swash events. The comparison between numerical results of the solver and experimental data is partially exhaustive. In fact, the solver reproduces fairly well the main bottom features in the presence of spectral waves but fails when regular waves are forced, because of “laboratory effects” occurred in the wave flume.

Nella presente tesi viene descritto un solutore numerico idro-morfodinamico, quale contributo innovativo nello studio e previsione dei flussi sotto-costa e delle variazioni di fondale indotte da onde e correnti. Il modello include un robusto solutore idrodinamico per l'integrazione delle Non-Linear Shallow Water Equations (NSWE) ed un solutore piuttosto flessibile per la risoluzione dell'equazione di Exner (utilizzato per valutare l'evoluzione morfologica del fondale marino). L’accoppiamento delle NSWE con l’equazione di Exner e l'aggiornamento della soluzione vengono effettuati mediante uno schema di splitting sequenziale. Il modello è stato validato mediante la riproduzione sia di test numerici/analitici, presenti nella letteratura degli ultimi anni, sia delle esperienze di laboratorio eseguite nel Laboratorio di Idraulica dell’Università Politecnica delle Marche (AN). La simulazione delle soluzioni teoriche esistenti ha portato a risultati coerenti sia per quanto riguarda l'idrodinamica sia la morfodinamica, soprattutto nella previsione dell’evoluzione dei fondali marini dovuta al trasporto solido al fondo o a quello in sospensione, in seguito a eventi di dam-break e di swash. Il confronto tra risultati numerici del solutore e dati sperimentali è parzialmente soddisfacente. Infatti, il solutore riproduce abbastanza bene le caratteristiche principali del fondo in presenza di onde spettrali, ma fallisce quando vengono riprodotte onde regolari, a causa di “effetti di laboratorio”, verificatisi in canaletta.