On Floating Breakwaters Efficiency - a 2DV Parametric Based Analysis

In long term evolution numerical models, the interactions of a floating barrier with the wave field is then deputed to some parametrized transfer functions, which mimic wave energy transmission and dissipation in the frequency domain. This thesis provide, as final result, two transfer functions (one for incident waves, one for reflected ones) for a particular class of compact shaped floating breakwaters. These functions are based on three main parameters, which have been derived on physical model results. The first one (x) is the ratio between the incoming wave frequency and an approximation of FB heave natural frequency, based on principal FB cross section dimensions. Wave steepness has been considered to be the second variable which helps in describing the amount of dissipated energy. An FB draft to water depth ratio has been identified. Available algorithms for the decomposition into incident and reflected waves of flume records are mostly Stokes-FFT based. Therefore they suffer some limitations for relatively high wave steepness (Ch. 4). Since the latter is considered as a crucial parameter, a lot of effort has been drawn in solving some conundrums of actual methods. Two algorithms are proposed. The first one (Ch. 5), based on empirical mode decomposition, did not give satisfactory results. The second one (Ch. 6) is based on linear waves superposition, but, getting rid of linear dispersion relation, detects automatically each phase celerity. The proposed algorithm appears to be effective for relatively shallow water waves, for which the phase modulation approach is more consistent than Stokes formulations. A Stokes 2nd order algorithm has also been implemented. In Ch. 7 the experimental set up is presented. A second order analysis of transmission and reflection processes is also introduced.Results are given (and discussed) in Ch. 8. Linear transmission and reflection transfer functions are derived, based on experimental data fitting. These are finally validated with irregular wave test measurements.It is found that the transmission process mainly depends on frequency (x) and on FB relative draft. The last parameter does not enter the reflection process, which basically described by x and wave steepness. In particular, steeper waves loose more energy, and are less reflected. For transmitted waves only, a significant amount of energy transfer from primary to secondary harmonics is observed.

Nei modelli numerici per applicazioni costiere, l'implementazione delle opere di difesa galleggianti è generalmente costruita a partire da semplici funzioni di transferimento. Queste distorcono, nelle spazio delle frequenze, il campo d'onda incidente in onde trasmesse a tergo dell'opera. Questa tesi propone due funzioni di trasferimento per una particolare classe di frangiflutti galleggianti (di seguito FB): una per il campo trasmesso, l'altra per quello incidente. Tali espressioni sono funzione di tre parametri principali, ricavati sulla base di risultati sperimentali. Il primo di questi è costituito dal rapporto tra la frequenza dell'onda incidente e un'approssimazione della frequenza naturale di oscillazione verticale del FB. Un secondo parametro è caratterizzato dalla ripidità dell'onda incidente, mentre l'ultimo è una variabile adimensionale che caratterizza il pescaggio del FB in relazione alla profondità d'acqua locale. Gli algoritmi presenti in letteratura, finalizzati alla decomposizione di misure d'onda in incidenti e riflesse, sono generalmente basati su formulazioni tipo Stokes-FFT. Pertanto, in presenza di ripidità particolarmente elevate, possono interpretare poco correttamente i dati misurati. Poichè la ripidità (dell'onda) è considerata un parametro fondamentale per la descrizione dei processi dissipativi, si propongono due algoritmi alternativi per la soluzione di tali criticità.Il primo di questi si basa su un punto di vista AM-FM, decomponendo le misure attraverso l'empirical mode decomposition (Cap. 5). Il secondo rimane su un'ipotesi di sovrapposizione lineare di onde elementari, ma prescinde dall'equazione di dispersione (Cap. 6). Ciò permette un'interpretazione più affinata delle celerità di fase. Con particolari vantaggi in acque basse, laddove l'approccio di modulazione di fase è più appropriato di un'espansione tipo Stokes. L'apparato sperimentale è descritto nel Cap. 7, nel quale è proposta anche una procedura di analisi dei risultati affinata al secondo ordine. Dai risultati (Cap.8) si desume che, dal punto di vista lineare, il processo di trasmissione dipende principalmente dalla frequenza dell'onda incidente e dal pescaggio del FB (relativo al fondale). Per quanto concerne le onde riflesse, queste sono meglio descritte dalla ripidità dell'onda, nonchè dalla frequenza. In particolare, le onde più ripide sono soggette a maggiori dissipazioni e conseguentemente sono riflesse in misura inferiore. Solamente in riferimento al processo di trasmissione, si notano sensibili trasferimenti di energia dalle componenti principali, a favore delle seconde armoniche.