IH-3VOF es un código desarrollado por el IH Cantabria para resolver los flujos tridimensionales en Ingeniería de Costas, en especial, interacción onda-estructura. presa-cuad-VOF-4

IH-3VOF es un modelo capaz de estudiar, con un enfoque completamente tridimensional, problemas en los que hicieran aparición medios porosos, tales como el estudio de diques de escollera. El modelo puede ser directamente aplicado al estudio de estructuras costeras convencionales como son diques con distintas configuraciones. El rebase, el "run-up" así como las fuerzas actuantes en la estructura pueden ser evaluadas bajo muy diferentes condiciones dinámicas. Por lo tanto, el modelo puede usarse como un laboratorio para desarrollar experimentos y obtener formulaciones para el correcto diseño de estructuras específicas. También puede ser directamente aplicado al estudio de la hidrodinámica en la zona de rompientes en playas, considerando las propiedades porosas de la pendiente de la playa. Las tensiones tangenciales en el fondo pueden calcularse con un gran grado de exactitud al tiempo que se obtiene un mayor entendimiento de los mecanismos de transporte que se desarrollan.

Entre sus principales características cabe destacar la capacidad de simular el comportamiento de los fluidos dentro de los medios porosos, la capacidad de generar todo tipo de oleajes, y la capacidad de simular todo tipo de estructuras marítimas. El modelo ha sido validado con ensayos de laboratorio (del Jesus et al. 2012).

plataforma-VOF-velo.0495IH-3VOF resuelve las ecuaciones tridimensionales de Navier-Stokes para flujos transitorios en dos fases. La técnica VOF, desarrollada por Rider y Kothe (1998) es utilizada en el seguimiento de las interfaces entre dos fluidos. IH-3VOF está diseñado para simular todos aquellos fenómenos relevantes de la Ingeniería de Costas.

La discretización espacial de IH-3VOF se hace mediante el método de volúmenes finitos, pudiéndose utilizar mallas estructuradas y no estructuradas. Un método fraccionario en dos pasos (Chorin 1968) es utilizado para resolver los campos de velocidades y de presiones. Se utiliza el método FGMRES para resolver la ecuación de Poisson resultante. Para suprimir las oscilaciones espaciales en las presiones y en las velocidades, se aplica el método de interpolación de Rhie-Chow. El código puede ser ejecutado, tanto en serie como en paralelo, permitiendo realizar cálculos complejos con gran rapidez.

En resumen, IH-3VOF es un modelo de gran versatilidad capaz de simular de forma correcta el comportamiento del fluido en los estudios de interacción onda-estructura.

Publicaciones destacadas:

del Jesus, M., Lara J.L., Losada I.J (2012) Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures. Part I: Numerical model formulation. Coastal Engineering ELSEVIER. Vol 64, pp. 57-72.

Lara J.L., del Jesus, M., Losada I.J (2012) Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures.Part II: Experimental validation.
Coastal Engineering ELSEVIER. Vol 64, pp. 26-46.

López Lara, Javier; Guanche García, Yanira; Del Jesus Peñil, Manuel; Losada Rodríguez, Iñigo; Barajas Ojeda, Gabriel, Análisis numérico del flujo alrededor del morro de diques con un modelo 3-D de Navier-Stokes Título Congreso: XI Jornadas Españolas de Costas y Puertos.

López Lara, Javier; Higuera Caubilla, Pabl; Del Jesus Peñil, Manuel; Losada Rodríguez, Iñigo; Guanche García, Yanira; Barajas Ojeda, Gabriel, Numerical simulation of three dimensional breaking waves on a gravel slope using two-phase flow Navier-Stokes model. ACOMEN 2011. 5th International Conference on Advanced Computational Methods in Engineering (ACOMEN 2011).

López Lara, Javier; Del Jesus Peñil, Manuel; Guanche García, Yanira; Losada Rodríguez, Íñigo; Barajas Ojeda, Gabriel, Surface water waves induced hydrodynamics around breakwater heads: 3D Navier-Stokes approach. Coastal Structures 2011.

López Lara, Javier; Del Jesus Peñil, Manuel; Guanche García, Yanira; Losada Rodríguez, Íñigo; Barajas Ojeda, Gabriel, Surface Water Waves Induced Hydrodynamics around Breakwater Heads. 3D Navier-Stokes Approach. MARINE 2011. IV International Conference on Computational methods in Marine Engineering.

Lara J. L., Losada I.J. del Jesus M., Barajas G. y Guanche R., IH-3VOF: A three dimensional Navier-Stokes model for wave and structure interaction.

Título del Congreso: Proceedings of the 32nd International Conference on Coastal Engineering. ASCE.

Javier L. Lara , Maria Maza, Pablo Higuera, Gabriel Barajas, Ínigo J. Losada, Numerical modelling of wave generation using a two phase model. Application to wave overtopping. ECCOMAS.

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TRANSFER (Tsunami Risk ANd Strategies For European Region)

TRANSFER es un proyecto Europeo (FP6) donde participaron más de 30 centros de investigación, universidades y agencias europeas. El proyecto también incluye usuarios finales (entidades gestoras en la costa a nivel local, regional y nacional, entidades estatales como protección civil, planeación, demarcaciones de costas, municipalidades).

El proyecto pretende entender mejor los procesos de los tsunamis en la región Atlantico-mediterranea europea; valorar la peligrosidad, vulnerabilidad y riesgo de las costas europeas; identificar estrategias para reducir el riesgo de tsunamis y establecer las bases para un sistema de alarma frente a tsunamis de las costas europeas.

En el marco de este proyecto, IH Cantabria ha desarrollado y validado un modelo de propagación de tsunamis (C3), ha desarrollado metodologías y guías para la elaboración de mapas probabilísticos de inundación, ha evaluado la peligrosidad, vulnerabilidad y riesgo en Cádiz y las islas Baleares, proponiendo medidas de mitigación. Ha estudiado problemas de resonancia en el puerto de Palma de Mallorca debido a tsunamis.

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The COASTVIEW (2002-2005) es un proyecto Europeo el cual reúne universidades, centros de investigación e instituciones encargadas de la gestión. El proyecto pretende implementar el sistema de vídeo cámaras para el seguimiento de las costas. Tiene como objetivos mostrar la utilidad de los sistemas en la gestión de la costa y entender los procesos morfodinámicos en la costa.

En el marco del proyecto, el IH Cantabria ha instalado un sistema de vídeo en la playa del "El Puntal" de Santander. La implementación de este sistema y una serie de campañas de campo llevadas a cabo dentro del proyecto, han servido de base para el desarrollo de metodologías y algoritmos numéricos que permiten la identificación de indicadores obtenidos a partir de las imágenes, con el fin de resolver problemas de gestión de la seguridad en la navegación, en los canales de acceso a puertos; entender y proteger las playas y dunas, de posibles procesos de erosión, inundaciones, impacto de de dragados o construcción de obras; finalmente, el uso de la playa con fines turísticos, donde es importante evaluar la situación de uso turístico de la playa.

COST VIEW1

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Dentro del ámbito de investigación del IH Cantabria, una de las líneas tradicionales de investigación ha sido el desarrollo de modelos numéricos para el estudio de procesos costeros relacionados tanto con la dinámica marina como con el transporte de sedimentos y las variaciones morfológicas en playas.

La línea de investigación de dinámica marina se centra en el estudio de propagación de oleaje, de corrientes y de nivel del mar, desde los procesos de turbulencia hasta los procesos en las mayores escalas espacio-temporales.

Los trabajos de morfodinámica de playas han contribuido a un avance científico mayor tanto en la simulación de la morfología de las playas en corto plazo con modelos de evolución en planta (2DH) y perfil (2DV), como en el entendimiento de los procesos de medio-largo plazo por medio de modelos de equilibrio de playas y de variabilidad estacional, invierno-verano.

IH Cantabria realiza un importante esfuerzo en la transferencia tecnológica de resultados científicos en beneficio de la sociedad, implementando modelos y metodologías de trabajo fruto de la investigación y la experiencia, en sistemas informáticos amigables y robustos. Un ejemplo de este tipo de herramientas es el Sistema de Modelado Costero. Atienden a un proceso continuo de validación a partir de medidas, tanto en el IHLabHidro, como en campo, o a través de sistema de monitorización de playas.

Las variaciones morfológicas en playas, ocurren en distintas escalas espaciales y temporales. Una de las técnicas de análisis de la morfodinámica de playas en la escala de largo-plazo (años a décadas), es la búsqueda de la posición de equilibrio, o posición media multianual que adopta una playa en su forma en planta y perfil, teniendo en cuenta la variabilidad y valores agregados de las dinámicas marinas y sedimentarias (oleaje, niveles, corrientes, vientos, D50, etc..).

Los conceptos de perfil y planta de equilibrio se enmarcan dentro de lo que se puede denominar "Métodos Ingenieriles de Diseño de Playas", ampliamente utilizados por los Ingenieros de Costas en estudios de estabilidad y regeneración de playas. Al objeto de definir la forma en planta y perfil de una playa en equilibrio, diversas aproximaciones han sido planteadas en la literatura.

Siguiendo esta línea de investigación, numerosas contribuciones científicas han sido llevadas acabo en el seno del IH Cantabria en los últimos 25 años, orientadas al planteamiento de nuevas formulaciones de forma en planta y perfil de equilibrio en playas. Formulaciones que también han sido implementadas en aplicaciones prácticas como el SMC.

La ocurrencia del catastrófico Tsunami de Indonesia en Diciembre de 2004, con más de 250,000 víctimas mortales, despertó la conciencia del peligro de estos fenómenos a nivel mundial, y de la necesidad de profundizar en su estudio.

IH Cantabria ha venido participado durante los últimos 15 años, en numerosos programas y proyectos de investigación en tsunamis tanto a nivel nacional como europeo. El equipo de investigación deIH Cantabria participa como asesor científico de la Oficina de Riesgos de la Comisión Europea, en la identificación de líneas estratégicas de investigación en temas de tsunamis.

En IH Cantabria, las líneas de investigación se centran en el desarrollo de nuevos modelos numéricos de propagación de tsunamis. La propuesta de nuevas metodologías para la elaboración de mapas probabilísticos de inundación, vulnerabilidad y riesgo, mapas aplicables a distintas escalas nacionales o locales. La caracterización y modelación de mecanismos de generación de tsunamis debido a fuentes sismotectónicas y de deslizamiento. El desarrollo de nuevos sistemas operacionales como el TSUSY, que permiten mediante la modelación numérica, determinar en tiempo real, el impacto de un tsunami en la costa. Herramienta de gran utilidad en sistemas de alerta temprana.

IH Cantabria es consciente de la complejidad, importancia y fragilidad de las zonas costeras, razón por la cual dedica gran cantidad de investigadores y esfuerzo al estudio de la vulnerabilidad de las zonas costeras frente a diferentes riesgos naturales y antropogénicos, tales como contaminación hídrica, erosión costera, derrames de hidrocarburos, inundaciones fluviales y costeras, tsunamis o aquellas amenazas asociadas al cambio climático.

El trabajo multidisciplinar característico de IH Cantabria ha posibilitado el desarrollo de una metodología específica para analizar el riesgo frente a distintas amenazas teniendo en cuenta, además de la probabilidad de ocurrencia de la amenaza y su incertidumbre, la vulnerabilidad del sistema costero de una forma integrada, entendiendo las interrelaciones entre las dimensiones humana, ambiental y socioeconómica, así como sus variaciones espacio-temporales.

Dada la importancia de conectar ciencia y gestión en el ámbito de los riesgos costeros, los resultados de investigación se generan de una manera fácilmente entendible permitiendo así el fortalecimiento institucional mediante la transferencia científico-técnica de vanguardia y contribuyendo, por tanto, a la gestión del riesgo con la mejor información disponible.

IH Cantabria participa en numerosos programas y proyectos de investigación en Gestión Integrada de Zonas Costeras tanto a nivel nacional como europeo. Las líneas de investigación en las que trabaja incluye el desarrollo de nuevas metodologías para el diagnóstico y la planificación integrada costera, el estudio de actores costeros y sus redes sociales, el análisis de los sistemas de gobernanza costera o el desarrollo de sistemas de indicadores de progreso en la GIZC.

Además IH Cantabria ha desarrollado herramientas de apoyo a la gestión integrada de zonas costeras como el Sistema de Modelado Costero SMC, sistemas de monitorización de la costa mediante cámaras de video (Sistema HORUS), sistemas de información geográfica y sistemas de apoyo para la toma de decisiones.

Finalmente la transferencia de los resultados de estas investigaciones ha permitido la impartición de cursos a medida para investigadores de Kuwait o colaboraciones con másters internacionales como el Erasmus Mundus en Biodiversidad Marina y Conservación o el Erasmus Mundus en Gestión del Agua y de la Costa.

VIGES2. Desarrollo de protocolos específicos para la evaluación del estado ecológico de las masas de agua costeras en el entorno de incluencia de vertidos de emisarios submarinos. (CTM2008-04649/Tecno). 2008-2011. MEC. Plan Nacional I+D+I (2008-2011)

La Directiva Marco del Agua (DMA) exige a los Estados Miembros proteger, mejorar y restaurar todas las masas de agua superficiales con el fin de alcanzar al menos el "Buen estado" para el año 2015. Para ello plantea, entre otras actuaciones, la necesidad de establecer "controles operativos" en aquellas masas de agua en riesgo de incumplir sus objetivos medioambientales, tal y como sería el caso de las zonas sometidas a vertidos de aguas residuales a través de emisarios submarinos. Con el fin de dar respuesta a esta necesidad, el presente proyecto trata de estandarizar y validar protocolos específicos para la evaluación del estado químico y del estado ecológico de las masas de agua costeras en el entorno de influencia de vertidos de emisarios submarinos. Dentro de este marco conceptual, se ha desarrollado el poryecto VIGES2, cuyos objetivos específicos son los siguientes:

  • Desarrollar un procedimiento para la delimitación del entorno de afección de los vertidos de emisarios submarinos que integre la aleatoriedad de los diferentes fenómenos hidrometeorológicos asociados a los fenómenos de dispersión de contaminantes.
  • Desarrollar y estandarizar procedimientos para la evaluación de indicadores biológicos (fitoplancton, macroalgas e invertebrados) aplicables a la cuantificación de los efectos producidos por vertidos de emisarios submarinos.
  • Seleccionar y validar los procedimientos más adecuados y sensibles para la evaluación del estado químico y ecológico de las masas de agua costeras en el entorno de afección de los vertidos por emisario submarino.
  • Transferir los resultados obtenidos, en forma de procedimientos estandarizados, a los gestores competentes en el ámbito de las Demarcaciones Hidrográficas del litoral Cantábrico.
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En IH Cantabria hemos empezado a desarrollar y aplicar herramientas cuantitativas para investigar la evolución morfodinámica de ríos, estuarios y costas. En particular, nos hemos centrado en afrontar el acoplamiento entre los procesos físicos y biológicos en una variedad de escalas espaciales y temporales.

Tenemos la intención de aumentar los conocimientos fundamentales en el área de medio ambiente mecánica de fluidos y ecohidráulica usando un enfoque de sistemas complejos que describe el feedback entre biología, hidrodinámica, transporte de sedimentos y evolución morfológica. En particular, estamos conectando experimentos de laboratorio y experimentos numéricos para entender cómo las interacciones entre hidrodinámica y población béntica resultan en una variedad de comportamientos complejos e inesperados que afectan nuestra capacidad de predecir la evolucion a largo plazo de estos sistemas. Con respecto al estudio de la evolución geomorfológica del estuario, el objetivo es el desarrollo de herramientas predictivas, por lo cual hemos empezado a poner énfasis en las interacciones entre la vegetación, la hidrodinámica y el transporte de sedimentos (arena y fango).

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