Lagrangian Measurements Of Wave-Induced Currents: Relation Between Infragravity Waves And Drift Velocities

The thesis investigates the dynamics generated by monochromatic and infragravity waves (IG). Over the past decade, there has been growing interest in IG waves, as demonstrated by the increase in literature on the topic [2]. Since the time of Stokes and his research on stationary progressive surface waves in 1847, there has been a focus on the trajectories of fluid particles and the associated mass flux. However, recent studies indicate that, especially in waves propagating over a shear flow, a net Eulerian flow can develop as opposed to Stokes drift [9]. Some studies suggest that in deep-water environments, net Eulerian flow may cancel the Lagrangian Stokes drift on a pointwise basis. In recent field measurements, it has been observed that the drift velocity correlates positively with the local mean depth of the fluid i.e. a wave with a rise has a large forward drift, while a wave with a fall has a net negative drift [3]. The study in question aims to examine what has been observed in the field through laboratory experiments conducted in a wave channel. Monochromatic and bichromatic waves of different characteristics were performed in the hydraulic laboratory of the Polytechnic University of Marche, using a wave channel (size: 50m×1m×1.3m) with a piston wave generator, the use of a camera high resolution and light sheet created by a halogen lamp and ground chili peppers as the neutral seeding. Two experiments were conducted: in the first test a monochromatic wave characterized by a height of 3 cm and a period of 1 s; in the second test, a bichromatic wave composed by the same monochromatic wave as in the first test, superimposed to a long wave (height of 0.3 cm and a period of 10s) has been used. Focus was given on the particle trajectories and the longitudinal distribution of the velocity along the vertical. The bichromatic waves were generated by superimposing a shorter wave onto a longer wave, attempting to replicate the natural combination of shorter waves with longer infragravity waves typical of the coastal region. Detailed analysis of trajectories and drift velocities provides an in-depth perspective on the behavior of such elements along the trough and peak of the bichromatic wave. Finally, the results obtained from this type of approach were then compared with previous research by Grue and Kolaas [6].

La tesi indaga le dinamiche generate dalle onde monocromatiche e di infragravità (IG). Negli ultimi dieci anni si è assistito ad un crescente interesse per le onde IG, come dimostrato dall’aumento della letteratura sull’argomento [2]. Sin dai tempi di Stokes e della sua ricerca sulle onde superficiali stazionarie progressive nel 1847, ci si è concentrati sulle traiettorie delle particelle fluide e sul flusso di massa associato. Tuttavia, studi recenti indicano che, soprattutto nelle onde che si propagano lungo un flusso di taglio, può svilupparsi un flusso euleriano netto in contrapposizione alla deriva di Stokes [9]. Alcuni studi suggeriscono che in ambienti di acque profonde, il flusso euleriano netto può annullare la deriva lagrangiana di Stokes su base puntiforme. In recenti misurazioni sul campo, è stato osservato che la velocità di deriva è correlata positivamente con la profondità media locale del fluido, ovvero un'onda con un aumento ha una grande deriva in avanti, mentre un'onda con una caduta ha una deriva netta negativa [3]. Lo studio in questione si propone di esaminare quanto osservato sul campo attraverso esperimenti di laboratorio condotti in un canale d’onda. Onde monocromatiche e bicromatiche di diverse caratteristiche sono state eseguite nel laboratorio idraulico dell'Università Politecnica delle Marche, utilizzando un canale d'onda (dimensioni: 50m×1m×1,3m) con un generatore di onde a pistone, l'uso di una telecamera ad alta risoluzione e un foglio luminoso creato da una lampada alogena e peperoncini macinati come semina neutra. Sono stati condotti due esperimenti: nella prima prova un'onda monocromatica caratterizzata da un'altezza di 3 cm e un periodo di 1 s; nella seconda prova è stata utilizzata un'onda bicromatica composta dalla stessa onda monocromatica della prima prova, sovrapposta ad un'onda lunga (altezza 0,3 cm e periodo 10s). L'attenzione è stata posta sulle traiettorie delle particelle e sulla distribuzione longitudinale della velocità lungo la verticale. Le onde bicromatiche sono state generate sovrapponendo un’onda più corta a un’onda più lunga, cercando di replicare la combinazione naturale di onde più corte con onde di infragravità più lunghe tipica della regione costiera. L'analisi dettagliata delle traiettorie e delle velocità di deriva fornisce una prospettiva approfondita sul comportamento di tali elementi lungo la valle e il picco dell'onda bicromatica. Infine, i risultati ottenuti da questo tipo di approccio sono stati poi confrontati con le precedenti ricerche di Grue e Kolaas [6].