Corner waves downstream from a partially submerged vertical plate

Martínez-Legazpi Aguiló, Pablo

Publication:
Corner waves downstream from a partially submerged vertical plate

dc.contributor.advisor	Rodríguez Rodríguez, Francisco Javier
dc.contributor.advisor	Lasheras, Juan Carlos
dc.contributor.author	Martínez-Legazpi Aguiló, Pablo
dc.contributor.departamento	UC3M. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos	es
dc.date.accessioned	2012-03-15T16:29:29Z
dc.date.available	2012-03-15T16:29:29Z
dc.date.issued	2011-10
dc.date.submitted	2011-12-02
dc.description.abstract	In this dissertation, the high-Reynolds-number flow near the corner of a vertical at plate partially submerged across an uniform stream has been studied using a combination of experimental, numerical and analytical tools. In this configuration, a three dimensional wave forms at the corner of the plate which evolves downstream in a similar way as a time-evolving two dimensional plunging or spilling breaker, depending the occurrence of one or the other type of breaker on the flow conditions. Experiments have been performed submerging a flat plate perpendicular to the free stream in the test section of a recirculating water channel. Experimental results show that the formation and the initial development of the wave is nearly unaffected by the presence of the channel walls and bottom even when their distance to the corner, where the wave originates, is of the order of the size of the wave itself. This is a remarkable observation, that suggests that the formation of the corner wave is a local process in a sense that it is only influenced by the characteristics of the velocity field very near the corner. Moreover, it has been observed that the jet formed when the corner wave adopts the plunging breaker configuration follows a nearly ballistic trajectory, has is the case in two-dimensional unsteady plunging breakers. Theoretical analysis shows that, taking advantage of the slender nature of the flow, the 3D steady problem can be transformed into a two dimensional unsteady one using the so called 2D+T approximation. Together with the high Reynolds number of the flow, the 2D+T approximation makes the problem amenable to be simulated numerically using a Boundary Element Method (BEM). Moreover, a pressure-impulse asymptotic analysis of the flow near the origin of the corner wave has been performed in order to describe the initial evolution of the wave and to clarify the physical mechanisms that lead to its formation. The analysis shows that the flow near the corner exhibits a self similar behavior at short times. The problem considered in this dissertation is of interest in naval hydrodynamics as well as oceanography. Indeed, the flow resembles to the one found at the dry stern of high-speed surface vessels. The similarities between the waves formed in the wake of such ships and our laboratory breakers will be investigated. This experiment also shares many features with deep water waves in the ocean, and thus it will be applied to the study of their breaking process. A criterion for the transition between overturning laboratory waves and spilling ones is proposed. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
dc.description.abstract	En esta tesis se ha estudiado el flujo a altos números de Reynolds aguas abajo de la esquina de una placa vertical parcialmente sumergida en una corriente uniforme, usando para tal fin una combinación de herramientas experimentales, numéricas y analíticas. Este flujo se caracteriza por la aparición de una ola estacionaria, que permanece unida a la esquina de la placa. Tanto la amplitud como la pendiente del frente de la ola crecen a medida que la ola evoluciona aguas abajo de la placa, dando lugar ya sea, a una rotura de la ola en la cual la cresta se derrama sobre la propia ola, o a una rotura en forma de tubo. Para estudiar este flujo experimentalmente, se sumergió una placa perpendicularmente a una corriente uniforme en un canal de recirculación. Los resultados experimentales demuestran que la presencia de las paredes y el suelo del canal no afectan a la formación y el desarrollo inicial de la ola, incluso cuando dichas paredes se encuentran a distancias del orden de magnitud de la propia ola. Esta es una observación importante dado que sugiere que la formación de la ola es un proceso local, en el sentido de que solamente se ve afectado por el campo de velocidades cerca de la esquina. Complementariamente se ha observado que, cuando la ola rompe en forma de tubo, la cresta de la ola sigue una trayectoria balística, al igual que en las olas en aguas profundas. El análisis teórico muestra que, haciendo uso de la naturaleza esbelta del flujo, el problema tridimensional estacionario se puede transformar en un problema bidimensional no estacionario mediante el uso de la, así llamada, aproximaci on 2D+T. Combinando los altos números de Reynolds encontrados en el flujo con el uso de dicha aproximación, el problema puede ser tratado numéricamente mediante un método de elementos de contorno. Para investigar el mecanismo físico que conduce a la formación de la ola y su posterior desarrollo, un análisis asintótico de la presión impulsiva en el flujo se ha llevado a cabo, capturándose con fiabilidad la evolución, a tiempos cortos, de la cresta de la ola, la cual se demuestra que exhibe un comportamiento auto semejante en las etapas iniciales. El problema considerado en esta tesis es de gran interés tanto en oceanografía como en el campo de la investigación naval. De hecho, este flujo recuerda al que se encuentra aguas abajo de las popas de espejo en barcos de superficie de alta velocidad. En esta tesis se investiga la semejanza entre las olas que se forman en la estela de dichos barcos y las generadas en el laboratorio. Adicionalmente, se observa que las olas obtenidas en el laboratorio también comparten muchas características de las olas en aguas profundas, por lo que se propone un criterio para separar ambos regímenes de rotura.
dc.description.sponsorship	This work has been sponsored by the ONR through grant N00014-05-1-0121.
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10016/13874
dc.language.iso	eng
dc.rights	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.accessRights	open access
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.eciencia	Ingeniería Industrial
dc.subject.other	High-Reynolds-number flow
dc.subject.other	Corner waves downstream
dc.subject.other	Hydrodynamics
dc.title	Corner waves downstream from a partially submerged vertical plate
dc.title.alternative	Olas de Esquina aguas abajo de una placa parcialmente sumergida	es
dc.type	doctoral thesis	*
dc.type.review	PeerReviewed
dspace.entity.type	Publication