Grup eğik silindirlerin mansabında akım ve türbülans yapılarının incelenmesi
Flow and turbulence characteristics at downstream of inclined cylinder group
Yazar: EREN TANDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Türbülanslı akış = Turbulent flow

Özet:
Nehirler, hidrolojik, morfolojik ve biyolojik etkiler altında oldukça hassas ekolojik dengelere sahiptir. Bitkiler bu dengenin en önemli bileşenlerinden biridir. Akarsu bitkileri ekolojik çeşitliliğin yanında şev stabilitesi, sediment taşınımı gibi morfolojik karakteristikler üzerinde de etkilidir. Artan nüfus ve gelişen sanayi neticesinde içme suyu temini, enerji üretimi, taşkın kontrolü, ulaşım vb. sebeplerden dolayı nehir ekosistemleri yoğun insan müdahalesiyle karşı karşıya kalmaktadır. Bu sebeplerden dolayı nehir ekosistemlerini ve hidrodinamiğini daha iyi anlayarak, yapılacak bu suni müdahalelerin doğal yollarla yapılmaya çalışılması son yıllarda sıkça gündeme gelmektedir. Bu amaçla akarsu bitkilerinin akım ve türbülans yapıları ve dolayısıyla sediment taşınımı ile şev stabilitesi, hakkında daha fazla bilgi edinmek amacıyla çalışmalar yapılmaktadır.
Bu çalışmada grup eğik silindirlerin mansabında akım ve türbülans karakteristiklerini incelemek amacıyla Q1=20.5 l/s, Q2=40.8 l/s ve Q3=56.8 l/s olmak üzere 3 farklı debide, ve silindirlerin kanal tabanıyla 90⁰ (dik silindir durumu), 75⁰, 45⁰ ve 60⁰ olmak üzere 4 farklı açı yaptığı toplam 12 adet deney yapılmıştır. Deneyler 0.5 m x 1.0 m ebatlarında, 1 cm yüksekliğinde tahta bir plaka üzerine Şekil 3.3'de görüldüğü gibi konumlandırılan 1 cm çapında rijit silindirler ile yapılmıştır. Deneyde kullanılan kanal L=18m uzunluğunda B=0.5 m genişliğinde ve 0.5 m yüksekliğindedir. Yan duvarları camdan, tabanı ise pürüzsüz beton yüzey olarak imal edilmiştir.  Bu deneyler sonucunda silindirlerin mansabında zamansal ortalama hız dağılımı, Reynolds normal ve kayma gerilmeleri, türbülans kinetik enerji dağılımları ve enerji spektrumları elde edilmiştir. Deneyler sonucunda zamansal ortalama hız dağılımının debiden bağımsız olarak grup halinde bulunan silindirlerin eğikliğinin değişmesiyle değiştiği gözlenmiştir. Dik silindir ve 75⁰ durumlarında kesitte hız dağılımı yüzeye yakın bölümde yüksek olmasına rağmen, kanal tabanında düşük hızdadır. Silindirlerin kanal tabanıyla yaptığı açı azalarak 60⁰ ve 45⁰'ye ulaştığındaysa bu durumun tersine dönerek kanal tabanındaki hız bileşenin artıp, yüzeye yakın bölümdeki hızın azaldığı görülmüştür. Reynolds normal gerilmeleri akım doğrultusunda(x ekseni) ve yanal doğrultuda (y ekseni boyunca) yüksek olmasına rağmen, düşey doğrultuda (z ekseninde) ise belirleyici değildir. Reynolds kayma gerilmelerinin, x-y düzleminde, x-z düzlemine göre çevri kopmaları sebebiyle daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Eğiklik arttıkça Reynolds kayma gerilmeleri azalmaktadır. Bunun sebebinin silindirler eğildikçe daha hidrodinamik bir forma ulaşmaları olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Rivers are ecologically fragile balanced formations based on morphological and biological effects. Vegetation is one of the most important components of this fragile balance. Aquatic vegetation has an impact on bank stability, sediment transport and morphological characteristics beside the ecological diversity.  River ecosystems are faced with human based impacts for energy generation, water supply or flood control depending on highly increasing population and developing industry. Nowadays, exchanging these artificial impacts with natural arrangements by understanding the river ecosystem and river dynamics is a hot topic. For this purpose there are dozens of researches in the field of the effects of vegetations on flow, turbulence structures and sediment transportation.
In this research, 12 experiments conducted with 4 different erection angles of group cylinders as 90⁰ (vertical), 75⁰, 45⁰ and 60⁰ and 3 different discharges (Q1=20.5 l/s, Q2=40.83 l/s and Q3=56.8 l/s) for each condition. Experiments performed with rigid cylinders that positioned on a wooden plate (0.5x1.0x0.1m as shown in Figure 3.2) in a channel which has L=18m in longitudinal length, B=0.5m width and 0.5m depth. Side walls and bed of the channel are constructed of glass and smooth concrete, respectively.  According to these experiments, time averaged velocity distribution, normalized Reynolds stresses, turbulence kinetic energy and energy spectra have been computed. As a result of experiments, it is concluded that the distribution of time averaged velocity component does not depend on discharge. Time average velocity component mostly depends on the angle of the cylinder groups. In the case of vertical and α=75⁰positions, velocity has lower values close to bed and it is getting increased by the distance from the wall. For the position of  α=45⁰ and α=60⁰, because of the inclination of cylinders, velocity component close the bed increases and surface part decreases. Reynolds normal stresses is dominant through the x and z axis compared to y axis for all the experiments. Reynolds shear stress values decreases when the erection angle of cylinder groups decreases because of the modified hydrodynamic form of the cylinders.