Hydrodynamics of wave and flow impacting bridge piers: an experimental and numerical study

The impact of waves caused by storm surges could lead to significant damage to coastal bridges’ substructure. As well, also piers of river-crossing structures have shown an often worrying level of vulnerability due to flooding wave impact. The knowledge of the mechanisms characterizing the interaction wave-flow-structure plays a key role in better design of coastal and fluvial bridges. Several studies have documented that hydraulic forces add significant hydrodynamic loads on structures built in fluvial and marine environment. As well, the modifications induced by the vertical structures of the bridge on the downstream flow during the transit of a long wave and the generation of coherent turbulent eddies from the structure deserve further research, considering that they could affect sediment and ecosystem downstream. For these purposes, the joint use of experimental and numerical analysis is a useful method for studying the complex behaviour of the wave superimposed to a steady flow in presence of a structure. The aim of this study is to develop small-scale laboratory and numerical models to examine the hydrodynamic behaviour of long waves released on a shallow current when impacting vertical rigid cylinders. The experimental model reproduces the propagation of two long waves in a flume, characterized by different values of flow rate and wave height, overlapped on a uniform base flow, in the presence of two rigid vertical cylinders simulating the bridge’s piers. The velocity measurements, obtained with a PIV (Particle Image Velocimetry) system on 2D planes, are firstly used to define the typology of the selected waves from an analytical point of view. Then, they are examined: i) upstream the cylinders, to depict the time-varying vertical distributions of the drag and inertia forces acting on the cylinders during the transit of the wave; ii) downstream the cylinders to obtain the time-varying velocity and vorticity maps in a horizontal plane; iii) by applying the continuous wavelet technique to detect the presence of coherent turbulent eddies downstream the vertical obstructions, evolving during the wave transit. The main experimental findings highlight that the drag force is the prevalent contribution acting on the cylinder during the whole wave transit, reaching a maximum value at the wave crest. Downstream each cylinder, a shadow zone is evident, as expected, as well as detaching vortexes in the cylinder’s wake. Finally, using the continuous wavelet technique, the presence of coherent turbulent eddies in some target points of the cylinder’s wake is assessed, providing some useful information about the turbulent lengths scales and the frequency of such coherent structures, also depending on the wave phase. As for the numerical aspect, two numerical simulations with the olaFlow solver are executed to reproduce the experimental model. For each wave, the time-varying velocity profiles during the wave transit and the velocity and vorticity horizontal fields downstream the cylinder are investigated. In this way it is possible to compare the numerical results with the experimental ones, in order to validate the numerical model. Generally, the estimated relative errors between experimental data and numerical outputs reveal a better performance of the model upstream the cylinders in the vertical plane, while we observe a lower capability of the model to reproduce the flow field downstream the cylinders, especially in their wakes, thus requiring further future research.

L'impatto di onde causate da mareggiate potrebbe causare danni significativi alle sottostrutture dei ponti costieri. Inoltre, anche le pile di ponti in alveo fluviale hanno spesso mostrato un livello di vulnerabilità preoccupante a causa dell’impatto con onde di piena. La conoscenza dei meccanismi che caratterizzano l'interazione ondaflusso-struttura è fondamentale per una migliore progettazione di pile da ponte in alveo fluviale o ambiente costiero. Diversi studi hanno documentato che le forze idrauliche aggiungono carichi idrodinamici significativi sulle strutture costruite in ambiente fluviale e marino. Inoltre, le modifiche indotte dalle pile da ponte sul flusso a valle durante il passaggio di un'onda lunga e la generazione di vortici turbolenti coerenti che si distaccano dalla struttura meritano ulteriori ricerche, considerando che potrebbero influenzare la distribuzione di eventuali sedimenti a valle e l'ecosistema. A tal fine, l'uso congiunto delle analisi sperimentali e numeriche è utile per studiare l’interazione di un’onda sovrapposta ad un flusso stazionario con una struttura. Lo scopo di questo studio è lo sviluppo di modelli numerici e di laboratorio su piccola scala per esaminare il comportamento idrodinamico di onde lunghe in acque poco profonde che impattano su cilindri rigidi verticali. Il modello sperimentale riproduce la propagazione in una canaletta di due onde lunghe, caratterizzate da diversi valori di portata e altezza d'onda, rilasciate su un flusso di base uniforme, in presenza di due cilindri rigidi verticali che simulano due pile da ponte. Le misure di velocità, ottenute con un sistema PIV su piani 2D, sono utilizzate innanzitutto per definire la tipologia delle onde selezionate da un punto di vista analitico. Quindi, si esaminano tali misure di velocità: i) a monte dei cilindri, per rappresentare le distribuzioni verticali variabili nel tempo delle forze di trascinamento e di inerzia agenti sui cilindri durante il passaggio dell'onda; ii) a valle dei cilindri per ottenere le mappe di velocità e vorticità variabili nel tempo su un piano orizzontale; iii) applicando l’analisi Wavelet per rilevare la presenza di vortici turbolenti coerenti che si evolvono durante il passaggio dell'onda, a valle dei cilindri. I principali risultati sperimentali evidenziano che la forza di trascinamento è il contributo prevalente che agisce sul cilindro durante l'intero passaggio dell'onda, raggiungendo un valore massimo in corrispondenza della cresta dell'onda. A valle di ogni cilindro, è evidente una zona d'ombra, come previsto, oltre a vortici di distacco nella scia del cilindro. Infine, utilizzando l’analisi Wavelet, viene valutata la presenza di strutture coerenti turbolente in alcuni punti target, sia internamente che esternamente alla scia del cilindro, fornendo alcune informazioni utili sulle scale di lunghezza turbolenta e sulla frequenza di tali vortici coerenti, anche in funzione della fase dell'onda. Con riferimento all’attività numerica, vengono eseguite due simulazioni numeriche con il solver olaFlow per riprodurre il modello sperimentale. Per ciascuna onda vengono studiati i profili di velocità variabili nel tempo durante il passaggio dell'onda e i campi orizzontali di velocità e vorticità a valle del cilindro. In questo modo è possibile confrontare i risultati numerici con quelli sperimentali, al fine di validare il modello numerico. In generale, gli errori relativi stimati tra dati sperimentali e risultati numerici rivelano una migliore prestazione del modello a monte dei cilindri sul piano verticale, mentre si osserva una minore capacità del modello di riprodurre il campo di flusso a valle dei cilindri, soprattutto nelle loro scie, richiedendo quindi ulteriori approfondimenti futuri.