Nonlinear Transformation of Waves over a submerged bar

The growing demand to both utilise and preserve our coastal zones causes the need to better understand the coastal dynamics and to improve the capability to model these processes. In the study of wave propagation towards the shore, it is necessary to take into account the presence of coastal structures, such as submerged and emerged breakwaters , that strongly modify the wave field. The objective of this thesis is to increase the knowledge and the physical insight on the mechanisms of non-linear interaction between waves and coastal structures. Laboratory experiments have been carried out to study the transformations of both monochromatic and random waves during the propagation over a submerged obstacle. The free surface measurements have been elaborated by means of spectral and bispectral analyses and the influence of different wave parameters on the non-linear wave interactions has been evaluated, in particular the effects of the wave period and the wave breaking. The bispectral analysis is used to examine the spatial variation in intensity of the non-linear couplings between harmonic components in a wave field propagating over and beyond the bar. In the protected area, a different behaviour for random and monochromatic waves is observed. For random waves the bound harmonics are released and the wave field can still be described as a superposition of statistically independent waves, without memory of the phase locks which existed over the bar. Unlike irregular waves, the harmonic components of monochromatic waves continue to interact and the asymmetry parameters vary significantly as a result of the varying phase lags between the freely propagating component waves. The evolution of the wave spectrum behind submerged obstacles also affects the run-up on the beach. A second experimental campaign has been carried out to evaluate the wave run-up over a 1:20 impermeable slope in presence of the submerged bar. The observed run-up is better correlated to the incident wave characteristics for regular monochromatic waves and to the characteristics of the transmitted spectra for random waves. In fact, for random waves the non-linear interactions induced by the submerged bar also generate long waves that affect the infragravity band swash. This does not happen for regular monochromatic waves, where the first harmonic remains the main forcing of the run-up.

La crescente necessità di utilizzare e preservare le aree costiere richiede una più approfondita conoscenza delle dinamiche costiere e una migliore capacità di modellare questi processi. Nello studio della propagazione delle onde verso riva occorre considerare la presenza di eventuali strutture di difesa della costa, come le scogliere emerse e sommerse, che modificano fortemente il campo di moto. Questa tesi ha l’obiettivo di approfondire la conoscenza dei meccanismi fisici di interazione non lineare tra onde e strutture costiere. A tal fine sono stati condotti esperimenti di laboratorio per studiare la trasformazione sia di onde monocromatiche che di onde random nella propagazione su un ostacolo sommerso. Le registrazioni della superficie libera sono state elaborate mediante analisi spettrali e bispettrali ed è stata valutata l'influenza di diversi parametri sulle interazioni non lineari delle onde, in particolare gli effetti del periodo ondoso e del frangimento. L'analisi bispettrale è stata utilizzata per esaminare la variazione spaziale dell’intensità degli accoppiamenti non lineari tra componenti armoniche nel campo d'onda che si propaga sopra e oltre la struttura. Dietro l’opera è stato osservato un comportamento diverso per onde random e monocromatiche. Per le onde random il campo d'onda può ancora essere descritto come sovrapposizione di onde statisticamente indipendenti, senza memoria degli accoppiamenti di fase che esistevano sulla struttura. Le componenti armoniche delle onde monocromatiche continuano invece ad interagire nell'area protetta ed i parametri di asimmetria variano in modo significativo a causa delle differenze di fase variabili tra le onde componenti. L'evoluzione spettrale delle onde dietro ostacoli sommersi influisce anche sulla risalita ondosa in corrispondenza della spiaggia. Una seconda campagna sperimentale è stata condotta per valutare il run-up su una pendenza impermeabile 1:20 in presenza della struttura sommersa. Il run-up osservato si correla meglio alle caratteristiche dell'onda incidente per le onde monocromatiche regolari e alle caratteristiche degli spettri trasmessi per le onde irregolari. Infatti, per le onde random le interazioni non lineari indotte dalla barra sommersa generano anche onde lunghe che influenzano la componente infragravitativa dello swash. Questo non accade per le onde monocromatiche regolari, dove la prima armonica rimane la principale forzante del run-up.