The evolution of spilling breakers: experiments and analyses

The objective of this thesis is to experimentally study an unsteady spilling breaking wave and to analyse in details the geometric and kinematic characteristics of the thin single-phase turbulent layer. A sloshing wave was used for the generation of the breaker. A 3m long, 0.60m depth and 0.10m wide tank was built in Plexiglass and forced through an hexapode system. The tank motion was designed by using two different numerical solvers: HPC and Navier-Stokes. The former provides the optimal tank motion, the latter defines the area of interest (1.80m) for our analysis and choice the equipment for measurements. For a good temporal and spatial resolution of each camera, the area of interest was divided into two different zones and only the upstream zone was analysed because it is there that flow unsteadiness, curvature and rotation are more evident. For the measurements of the kinematic quantities, the Particle Image Velocimetry (PIV) method was used. A number of 512 realizations were done in order to obtain a good statistical analysis. The instantaneous velocity field was decomposed in a mean and turbulent field. The mean flow is characterized by a quadrupolar vortical structure connected by a saddle point, which at breaking onset is near the free surface at the lee of the crest. Later on the saddle point is seen to move upstream and downward of the wave crest. The analysis of the vorticity field shows how it is influenced by the steepness of the wave and curvature of the free surface. The TKE evolution instead, highlight its dependence from the curvature and rotation of the interface between the thin single-phase turbulent layer and irrotational flow underlying. Furthermore, the analysis of the thickness of the layer in time shows the unsteadiness of the phenomenon and a local instability. Lastly, the data set available has made it possible to check the analytical model by Brocchini and co-workers, for the analytical solution of the mean velocity profile.

L'obiettivo di questa tesi è stato quello di studiare sperimentalmente un particolare tipo di frangimento d’onda (spiller) e di analizzare in dettaglio le caratteristiche geometriche e cinematiche di un sottile strato monofase turbolento. Per la generazione l’onda frangente, è stato utilizzato un tank, realizzato in plexiglass, e messo in movimento attraverso un sistema di esapode. Il moto del tank è stato progettato tramite il solutore numerico HPC e l’intera evoluzione del fenomeno è stata invece valutata riproponendo tale storia temporale in un solutore di tipo N-S. Grazie a quest’ultimo, siamo stati in grado di definire l'area di interesse (1,80 m) per l'analisi e scegliere il setup sperimentale. Per una buona risoluzione temporale e spaziale di ogni telecamera, l'area di studio è stata divisa in due zone diverse e solo quella di monte è stata analizzata perché è lì che il flusso è non stazionario e la curvatura e la rotazione sono più evidenti. Per le misure delle grandezze cinematiche, è stato utilizzato il metodo PIV facendo 2048 realizzazioni al fine di ottenere una buona analisi statistica. Il campo di velocità istantaneo è stato decomposto in uno medio e in uno turbolento. Il flusso medio è caratterizzato da una struttura vorticosa quadrupolare collegato da un punto di sella al disotto della cresta. L'analisi del campo vorticità ha mostrato come essa sia influenzata dalla curvatura della superficie libera, mentre come l'evoluzione dell’energia cinetica turbolenta sia dipendente dalla curvatura e rotazione dell'interfaccia tra strato sottile turbolento monofase e il flusso irrotazionali sottostante. L'analisi nel tempo dello spessore dello strato monofase turbolento evidenzia la non stazionarietà del fenomeno. Infine, il set di dati disponibili ha permesso di verificare una parte del modello analitico di Brocchini e altri collaboratori, riguardante la soluzione analitica del profilo di velocità media.