Hydrodinamics driven design of coastal artifical reefs

Silva, Bruno Gonçalo Guerreiro da

http://hdl.handle.net/10400.1/18864

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Authors

Silva, Bruno Gonçalo Guerreiro da

Advisor(s)

Duarte, Duarte

Pereira, Eduardo Nuno Borges

Abstract(s)

Os sistemas marinhos e costeiros encontram-se sujeitos a uma enorme pressão humana, incluindo poluição, pesca excessiva, o efeito de espécies invasoras entre outros. Estes tipos de pressões resultam do facto de uma grande parte da população mundial viver perto da costa, e da grande profusão de atividades humanas que hoje se desenvolvem no mar. Quando os sistemas marinhos e costeiros entram em conflito com o desenvolvimento humano, em certos casos é possível observar a perda de habitats marinhos, que consequentemente levam à redução da biodiversidade. Uma faceta visível e atual desta perda de habitats é a morte de corais, que está relacionada com o aumento de temperatura do planeta e a acidificação da água do mar, em parte atribuíveis à ação humana. Uma das soluções que atualmente é considerada mais promissora para fazer face à perda de habitats é a implementação de recifes artificiais que oferecem abrigo a organismos. Os recifes artificiais são utilizados há muito tempo como parte de estratégias de regeneração de ecossistemas marinhos. No entanto no passado tanto o material constituinte como a geometria ou desenho estrutural não eram alvo de estudos muito detalhados ou apurados, havendo exemplos da reutilização de vários materiais e estruturas tais como carros inutilizados, barcos afundados, pneus usados e outros tipos de resíduos para a implementação de recifes artificiais. Com o desenvolvimento da ciência e o interesse nesta problemática foram desenvolvidos recifes artificiais amigos do ambiente, feitos a partir de materiais não tóxicos. Atualmente a temática associada ao uso dos recifes artificiais continua a ser estudada com enorme interesse. Uma das vertentes mais importante deste estudo foca-se na interação entre as estruturas de recife artificial e o fluxo da água envolvente, que permite analisar o impacto local destas estruturas tanto do ponto de vista ecológico como do ponto de vista da erosão. Existem várias metodologias que permitem analisar a interação de recifes artificiais com o fluxo de água circundante, algumas delas experimentais tais como a análise do comportamento hidrodinâmico em canal hidráulico associada a técnicas como a PIV (particle image velocimetry ou Velocimetria por imagem de partículas). Outra abordagem consiste na utilização de ferramentas numéricas, por exemplo por via da utilização de modelos de CFD (computational fluid Dynamics ou dinâmica dos fluidos computacionais). Ambas as metodologias apresentam vantagens e inconvenientes. As metodologias experimentais possibilitam uma visualização direta de resultados, com recurso a instrumentação específica que permite a medição de variáveis essenciais tais como velocidades em determinadas localizações ou perfis de velocidades, pressões, padrões de erosão, entre outras. No entanto normalmente estão associadas a tempos prolongados de execução, tanto pela necessidade de preparação de protótipos à escala como para a realização dos ensaios propriamente ditos. Normalmente também possuem algumas limitações associadas ao espaço disponível, à escala dos protótipos e às condições de ensaio (correntes, ondas, natureza e forma do substrato) que é possível realizar. Por outro lado, os modelos numéricos permitem a simulação das condições próximas das reais e o estudo de geometrias mais complexas. No entanto muitas vezes os modelos gerados são exigentes em termos computacionais, requerendo tempo de preparação e de computação substancial, assim como recursos de hardware significativos. O programa ideal inclui ambas as abordagens, ou seja modelos numéricos que são devidamente calibrados e adaptados a medições realizadas in situ ou em modelos experimentais à escala A presente dissertação de mestrado, inserida no curso “marine and coastal systems”, pretende contribuir para o estudo do processo de desenho de recifes artificiais, considerando a interação com diferentes cenários hidrodinâmicos. Para alem disso, esta dissertação pretende estudar efeitos particulares que estas estruturas podem ter no meio marinho, incluindo o controlo de efeitos erosivos e a promoção de padrões de corrente atrativos para habitats costeiros. Com esta finalidade, foi feito um estudo inicial da literatura existente, e foram identificados alguns exemplos de desenhos de estruturas de recife artificial. Deste modo, no contexto desta dissertação procedeu-se ao estudo de quatro recifes artificiais (cubic artificial reef, adapted reef ball, upwelling reef and Yfalos modular artificial reef) no ambiente aquático, expostos a velocidades pré-determinadas. Dada a sua importância, foi também analisada a estabilidade de cada um dos recifes referidos, tendo em vista o estudo das condições adequadas a promover para garantir a estabilidade dos mesmos em ambientes sujeitos a maior agitação. De modo a orientar o estudo realizado nesta dissertação, considerou-se como caso de estudo a aplicação das estratégias estudadas a uma determinada região do Parque Natural do Litoral Norte, em Esposende. Considerando a importância atual que as ferramentas digitais têm no processo de conceção e fabrico de estruturas mais inovadoras, assim como a possibilidade de integração do processo de desenho com a análise hidrodinâmica e o papel importante que podem ter neste desenho, adotaram-se também ferramentas de desenho paramétrico para a conceção das estruturas de recife artificial complexos. Deste modo, o primeiro passo consistiu na criação dos desenhos das peças de recife artificial em 3D com recurso à ferramenta Rhinoceros®. Foram realizados dois desenhos para cada geometria, um que representa as dimensões reais de cada recife artificial e outro que adota a escala de 1:20 do tamanho real. Os comportamentos hidrodinâmicos das geometrias à escala real foram analisados com recurso à ferramenta numérica Ansys®, enquanto que as geometrias à escala reduzida foram analisadas utilizando a ferramenta REEF3D®. Foram definidas as mesmas condições fronteira para ambos os casos, considerando as condições da área piloto selecionada no Parque Natural do Litoral Norte. Utilizando os mesmos dados, foi ainda realizada a análise da estabilidade de cada recife artificial face às condições da área de estudo adotando um procedimento de interação fluido-estrutura (one way), recorrendo-se para o efeito a um módulo mecânico e a um módulo de fluidos. Em geral as duas ferramentas numéricas utilizadas apresentaram resultados semelhantes. O upwelling reef apresentou uma maior interação com o fluxo de água, enquanto o Yfalos modular artificial reef apresentou uma menor perturbação do fluxo de água. Os restantes recifes artificiais demonstraram resultados intermédios relativamente aos anteriores em termos de perturbação do fluxo de água, ainda que todos eles tivessem apresentado particularidades interessantes e apropriadas para aplicações específicas. Relativamente à estabilidade foi observado que, de acordo com os resultados obtidos com a ferramenta Ansys®, o upwelling reef propicia as condições para uma maior estabilidade entre todos os que foram analisados, ao passo que a adapted reef ball apresenta uma maior suscetibilidade a instabilização devido ao efeito da velocidade da água e deste modo menor estabilidade, não tendo no entanto atingido o ponto de instabilização. Os restantes recifes artificiais apresentaram comportamentos intermédios relativamente aos anteriormente mencionados. A título de conclusão geral, para as condições da área de estudo observou-se que geometrias mais próximas da apresentada pelo upwelling reef parecem apresentar as melhores condições para garantir a estabilidade das estruturas face ao efeito da velocidade da agua. Adicionalmente, e tendo em vista a sua utilização com o objetivo de promover efeitos de upwelling, também a geometria do upwelling reef pareceu ser a mais favorável e melhor fonte de inspiração para desenvolvimento de estruturas no futuro. Concluiu-se ainda que a abordagem estudada pode ser muito útil no processo de desenho e conceção de estruturas de recife artificial tendo em vista aplicações especificas, considerando a importância de adequar a geometria aos requisitos de estabilidade, de interação com o fluido envolvente e da regulação de processos erosivos.

The current dissertation seeks to improve the scientific knowledge about artificial reefs design, as well as on their impact on the surrounding fluid environment. Furthermore, this dissertation enriches the understanding of different artificial reefs effects on the (potential) biological development, taking in consideration local interactions between them. This dissertation aims to analyze different artificial reef geometries (cubic artificial re one that represents the real dimensions of each artificial reef and another that adopts a scale of 1:20 of the real size, an adapted reef ball, the upwelling reef and the Yfalos modular artificial reef) impacts on the flow field velocity (based on Exposende natural parck), which might create water velocity patterns beneficial for coastal habitats. In order to reach the objectives, first it was used the software Rhinoceros to design the chosen artificial reefs, two designs were made for each artificial reef geometry, one that represents the real dimensions of each artificial reef and another that adopts a scale of 1:20 of the real size. The solids were then imported to the Ansys® software (real size geometry) and REEF3D® (1:20 of the real size geometry). The artificial reefs were then submitted to CFD tests, using the boundary conditions based on the Esposende North Littoral Natural (same for all the models regardless the software or size) in order to understand the impact of each artificial reef on the local hydrodynamics. It was also carried out a stability test using the software Ansys® with the same boundary conditions as before. In general, the two numerical tools presented similar results. The upwelling reef showed a greater impact on the local hydrodynamics, while the Yfalos modular reef presented a lesser disturbance on the local hydrodynamics. The cubic artificial reef and the adapted reef ball presented intermediate impacts on the local hydrodynamics. In terms of stability the upwelling reef presented a greater stability while the adapted reef ball presented the lower stability values (although never reaching instability). It was concluded that for the present conditions the upwelling reef might be the most viable option (assuming only the chosen artificial reefs) since that it presented the greatest stability among all the solids and promoted the local upwelling and back eddies which are determinant factors for marine habitats.