İç ve dış akış etkisinde deniz deşarj sistemlerinin tasarımı
Design of submarine outfall systems under internal and external flow
Yazar: ENGİN GÜCÜYEN
Danışman: PROF. DR. ÜMİT GÖKKUŞ
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Boru akışı = Pipe flow ; Deniz deşarj sistemleri = Marine discharge systems ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; İç akış = Internal flow

Özet:
Günümüzde çevre ve insan sağlığına verilen önemin artmasıyla beraber kentsel ve endüstriyel sıvı atıklarının bertarafı da önem kazanmıştır. Ön arıtma sonrası sistemlerinin maliyetinin yüksek olması atık suların ön arıtmadan sonra denize deşarjını gündeme getirmiştir. Günümüzde de yaygın kullanım alanı bulan yöntem; atık suların deniz deşarjı sistemleri ile alıcı ortamda seyreltilmek suretiyle sahilden belirli uzaklık ve derinlikteki bir noktadan deniz ortamına verilmesi ilkesine dayanır. Bu çalışma kapsamında uygulamada kullanılan bir deşarj sistemini oluşturan difüzör ana borusu, çıkış boruları, çıkış ağızları, iç ve dış ortamı ABAQUS Sonlu Elemanlar Programı ile modellenmiştir. Sonlu Elemanlar Metodu ile yapılan bu çözümleme bütünleşik analiz olarak isimlendirilmiştir. Sistemin son iki açıklığı (20 m) ve bu açıklık üzerinde bulunan dört adet çıkış incelenmiştir. Difüzör çıkış borularının ve çıkış ağızlarının çap ve geometrisi aynı kalmak koşulu ile difüzör borusu üç farklı şekilde modellenmiştir. Bunlar; sabit, kademeli daralan ve tedrici daralan kesitli modellerdir. Sabit kesitli modelde iki açıklıklı difüzör ana borusu çapı 0,50 m, kademeli daralan kesitli modelde birinci açıklıkta ana boru çapı 0,50 m, ikinci açıklıkta 0,40 m, tedrici daralan kesitli modelde ise birinci açıklık başlangıç çapı 0,50 m ikinci açıklık bitiş çapı ise 0,40 m'dir. Tüm modellerde çıkış borularının ve çıkış ağızlarının çapları sabit ve 0,13 m'dir. Çıkış ağızları daireseldir (çan ağızlı). Modellerin et kalınlıkları sabit ve 0,01 m'dir. Belirlenen geometrik özelliklerin difüzör akım şartlarını sağladığı yazılan DIFDES kodu ile tahkik edilmiştir. Dış akışı modellemek için 20 m yüksekliğinde 25 m boyunda 1,50 m genişliğinde bir dikdörtgen prizma geometrisi oluşturulmuştur. Dış akış modellemesinde literatürde rastlanan durgun ortam kabulünün yanında dalgalı ortama görede çözümleme yapılmıştır. Dış ortamın durgun ya da dalgalı olmasına göre difüzör çıkış hızlarındaki değişim ve dış akışın iç akışa etkisi incelenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Dalgalı dış ortam modellemesinde Lineer Dalga Teorisi kullanılmıştır. 
Akışkan-yapı etkileşim problemlerinin çözümünde akışkanın boru üzerinde birtakım etkilere sahip olmasına karşın borunun da akışkan üzerinde etkileri söz konusu olmaktadır. Akışkan-yapı etkileşiminin bir arada çözümlenmesi gerekmektedir. Akışkan problemi bir ortamda, boru problemi ise bir başka ortamda çözümlenebilir. Ancak yapısal sistemin davranışı ile akışkan hareketi bir ararda değerlendirilmemiş olacaktır. Akışkan iç basınç değişiklikleri karşısında borunun rijitliği birbirlerini etkileyemeyecektir. Tez çalışmasında ayrık ve bütünleşik analiz olarak adlandırılan iki yol izlenerek analizler tamamlanmıştır. Ayrık analizde; akışkanın boru rijitliğini etkilemediği, akışkan kuvvetlerinin yazılan bilgisayar kodu (HYDRODIF) ile hesaplanması ve dışarıdan Sonlu Elemanlar Programına (SAP 2000) aktarılması yolu izlenmiştir. Ayrık analizde; difüzör borusu çıkış hızları ve akışkan iç-dış basınçları HYDRODIF kodu ile difüzör deplasmanları ve Von Mises gerilmeleri ise SAP 2000 programı ile elde edilmiştir. Bütünleşik analizde ise akışkan ve difüzör ABAQUS Sonlu Elemanlar Programı ile tek bir ara yüzde modellenmiş, akışkan yapı etkileşimi sağlanmış ve ayrık analizde farklı analizlerden elde edilen çıktılar aynı analizden elde edilmiştir. Gerek ayrık gerekse bütünleşik analizden elde edilen sonuçların uyumları tespit edilerek önerilerde bulunulmuştur.

Anahtar Kelimeler: ABAQUS (Sonlu Elemanlar Metodu), akışkan-yapı etkileşimi, deniz deşarj 
difüzörleri, dış akış, iç akış.

Abstract:
In this age and time, elimination of the urban and industrial liquid waste has become important by paying attention to environmental and human health. Discharging of waste water to the sea after pretreatment has been a current issue due to high cost of the systems after pretreatment. This method which is also widely used in our day is based on giving the waste water by diluting in receiving environment and using sea discharge systems from one point that is deep and far from the seaside to the sea environment. In the scope of this study, main pipe of the diffuser, risers and outlet ports, inner and outer environments forming the discharge system which is used in application are modeled by ABAQUS finite elements program.
This solution which is performed by finite elements method is named as integrated analysis. The last two spans of the system (20 m) and four outlet ports on these spans are investigated. While the diameter and geometry of the risers and outlet ports of the diffuser remain constant, the diffuser pipe is modeled in three different ways. These are constant, stepped narrowing and gradually narrowing sectioned models. While diameter of the two-span main diffuser pipe is 0,50 m in constant sectioned model, diameter of the main pipe is 0,50 m in the first span and 0,40 m in the second span in stepped narrowing sectioned model and beginning diameter of the first span in 0,50 m and ending diameter of the second span is 0,40 m in gradually narrowing sectioned model. Diameters of the risers and outlet ports are taken as 0,13 m in all models. Outlet ports are circular (bell-mouth). Pipe thicknesses of the models are 0,01 m. Provision of the diffuser flow conditions according to geometric properties are verified by DIFDES code. A rectangular prism geometry which has 20 m height, 25 m length and 1,50 m wide is created to model the outer flow. The solutions are performed according to wavy environment as well as stationary environment assumption which is prevalent in the literature in outer flow model. Change in outer velocities of the diffuser according to stationary and wavy outer environment and effect of outer flow on inner one are investigated and the results are compared. Linear Wave Theory is used in wavy outer model. 
While fluid has some effects on the pipe, the pipe has also some effects on fluid in the solution of the fluid-structure interaction problems. Fluid-structure interaction shall be analyzed together. While fluid problem is analyzed in one environment, the pipe problem can be analyzed in another one. However, behavior of the structural system and movement of the fluid is not evaluated together in this case. Rigidity of the pipe is not effected against change in inner pressure values of the fluid. Two ways as separated and integrated analyses are performed in this thesis study. In separated analysis, rigidity of the pipe is not effected by the fluid and fluid forces are calculated by a computer code (HYDRODIF) and transferred to finite elements program (SAP 2000). In separated analysis, outer velocities of the diffuser pipe and inner-outer pressures are obtained by HYDRODIF code, diffuser displacements and Von Mises stresses are obtained by SAP 2000 program. In integrated analysis, fluid and diffuser are modeled by ABAQUS finite elements program in one single interface, fluid-structure integration is provided and the results which are obtained after several solutions in separated analysis are obtained in the same analysis. The relationship between the separated and integrated analyses is stated and suggestions are proposed.

Keywords: ABAQUS (Finite Elements Method), external flow, fluid structure interaction, internal 
flow, submarine outfall diffusers.