PROGRAMMA BANDO PRIN - D.D. 104 DEL 2 FEBBRAIO 2022 (PRIN 2022)

TITOLO DEL PROGETTO: A metamaterial-based device for attenuating surface gravity waves (META)

Settore PE3_14 - codice 2022WKRYNL_002 - Misura M4C2 – Investimento 1.1 “Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN)”

CODICE CUP: D53D23002420006

Budget: € 84.894

P.I. o Responsabile U.R.

Altre Unità di Ricerca o eventuali Sub Unità

Prof. Miguel ONORATO, Università degli studi di Torino (P.I.)

Prof. Michele MOSSA, Politecnico di Bari, Vice PI e responsabile della UO Poliba

Dott. Paolo PEZZUTTO, Consiglio Nazionale delle Ricerche, responsabile della UO CNR

Breve descrizione del progetto

Il progetto PRIN 2022 “A metamaterial-based device for attenuating surface gravity waves” mira allo sviluppo di dispositivi innovativi per il controllo e l’attenuazione del moto ondoso basati su concetti di metamateriale applicati all’idrodinamica. L’idea consiste nell’utilizzo di array di elementi galleggianti sommersi, costituiti da sfere cave vincolate al fondo tramite cavi, che si comportano come sistemi oscillanti. Interagendo con le onde incidenti, tali elementi modificano la propagazione attraverso riflessione, trasmissione e dissipazione dell’energia, con meccanismi analoghi ai metamateriali basati su risonanza locale. Il progetto è stato sviluppato con un approccio integrato sperimentale–numerico. Le prove sono state condotte in un canale ondoso di 45,20 m con sfere di diametro 7,2 cm, testando diverse configurazioni di densità. Parallelamente, è stato implementato un modello numerico tridimensionale SPH (DualSPHysics), capace di simulare superfici libere e interazioni fluido-struttura, includendo turbolenza (SPS) e sistemi di generazione/assorbimento onde (AWAS).

Finalità

L’obiettivo principale è dimostrare la possibilità di controllare la propagazione delle onde tramite dispositivi ispirati ai metamateriali, ottenendo un’attenuazione efficiente dell’energia ondosa per applicazioni di protezione costiera. Un aspetto centrale è la comprensione dei meccanismi fisici di interazione onda–sistemi oscillanti, in particolare risonanza e accoppiamento dinamico, fondamentali per amplificare riflessione e dissipazione. Il progetto mira inoltre a identificare configurazioni ottimali (geometria, densità, condizioni d’onda) e a sviluppare modelli numerici affidabili, supportati da dataset sperimentali ad alta risoluzione.

Risultati attesi

Tra i risultati attesi vi era la dimostrazione dell’efficacia di configurazioni metamateriali nel modificare la propagazione ondosa e attenuarne l’energia. Era prevista l’individuazione delle condizioni operative ottimali e l’evidenziazione di fenomeni di risonanza, con conseguente aumento della riflessione. Inoltre, si puntava alla quantificazione dei coefficienti di riflessione e trasmissione e alla raccolta di dataset sperimentali dettagliati. Dal punto di vista numerico, l’obiettivo era validare un modello SPH tridimensionale capace di riprodurre onde e interazioni fluido-struttura, fornendo strumenti utili alla progettazione.

Risultati raggiunti

È stata realizzata una campagna sperimentale estesa con diverse configurazioni di array e onde regolari (altezze 2–4 cm, frequenze 0,6–2,0 Hz). I risultati hanno mostrato una forte dipendenza dell’attenuazione da frequenza e configurazione, con picchi di riflessione intorno a 1,1 Hz e 1,6 Hz, associati a fenomeni di risonanza. Le misure (sonde resistive e ADV) hanno fornito dataset ad alta risoluzione, inclusi profili verticali di velocità, utili per l’analisi dettagliata dei campi di moto. Il modello SPH (fino a ~22 milioni di particelle) ha riprodotto con buon accordo superficie libera e velocità, confermando la capacità di simulare i fenomeni osservati. Nel complesso, è stato dimostrato che gli array di sfere si comportano come metamateriali idrodinamici efficaci, in grado di ridurre significativamente l’energia ondosa, con la risonanza come meccanismo chiave. L’approccio integrato sperimentale–numerico si è rivelato solido e promettente per applicazioni future nella protezione costiera.

Alcuni paper già pubblicati (altri sono in via di pubblicazione)

• De Padova, Diana, Barbato, Giuliana, Lapietra, Isabella, Lisco, Stefania Nunzia, Mastronuzzi, Giuseppe, Mercogliano, Paola, Mossa, Michele, Rizzo, Angela (in stampa). Beneath the Surface: How Climate Change Intensifies Erosion and Suspended Sediment Loads. EARTH SYSTEMS AND ENVIRONMENT, ISSN: 2509-9426, doi: 10.1007/s41748-025-00871-0

• Calvo, L., De Padova, D., Onorato, M. et al. SPH modelling of wave attenuation by an array of submerged resonators and vorticity generation mechanism. Environ Fluid Mech 25, 21 (2025). https://doi.org/10.1007/s10652-025-10034-4

• De Serio, Francesca, De Padova, Diana, Ben Meftah, Mouldi, Mossa, Michele (2025). A framework for data analysis from long-term monitoring in anthropized coastal areas. JOURNAL OF ECOHYDRAULICS, vol. 10, p. 366-388, ISSN: 2470-5357, doi: 10.1080/24705357.2024.2428959

• Mossa, Michele, De Padova, Diana, Onorato, Miguel (2025). Damping of solitons by coastal vegetation. JOURNAL OF FLUID MECHANICS, vol. 1002, A45, ISSN: 0022-1120, doi: 10.1017/jfm.2024.1185

• Mossa, Michele, De Padova, Diana (2025). Interaction between waves and vegetation. SCIENTIFIC REPORTS, vol. 15, 6157, ISSN: 2045-2322, doi: 10.1038/s41598-025-89627-4

• De Padova, Diana, Ben Meftah, Mouldi, Mossa, Michele (2025). Theoretical and numerical investigation of wave attenuation on vegetated seabeds. EARTH SURFACE PROCESSES AND LANDFORMS, vol. 50, e70054, ISSN: 0197-9337, doi: 10.1002/esp.70054

• Mossa, Michele; Pezzutto, Paolo; Onorato, Miguel. TESTING THE TWO-DIMENSIONAL RESPONSE OF A METAMATERIAL-BASED DEVICE FOR ATTENUATING SURFACE GRAVITY WAVES - (2024). 38th International Conference on Coastal Engineering Rome 8-14 September 2024).

• de serio, mossa, de padova, ben meftah (2024). PLUNGING WAVES IN THE INNER SURF ZONE AND BURGERS-LIKE TURBULENCE. In: Proceedings of 38th International Conference on Coastal Engineering. Roma, Italy, September 8– 14 2024

• De Padova, Diana, Mossa, Michele (2020). Hydrodynamics of Regular Breaking Wave. In: Geophysics and Ocean Waves Studies. doi: 10.5772/intechopen.94449