Yanal akımlarda birleşik çalışan savak ve kapak akımının deneysel ve nümerik analizi
Experimental and numerical analysis of combined weir-gate flow in lateral flows
Yazar: VEYSİ KARTAL
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET EMİN EMİROĞLU
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Açık kanallar = Open channels ; Hidrolik = Hydraulics ; Savak = Weir

Özet:
Açık kanallarda debi ölçümü ve seviye kontrolü, hidrolik yapı sisteminin yönetimini desteklemek için önemlidir. Yan savaklar; bir kanaldan belirli miktarda debinin alınması, su yüksekliğinin düzenlenebilmesi için fazla suyun tahliyesi gibi amaçlar için kullanılan önemli hidrolik yapılardır. Doğrusal kanallarda klasik ve labirent yan savaklar ve kapaklar ile ilgili literatürde birçok çalışma yürütülmüştür. Hem savak hem de kapak yapılarının akım özelliklerinin deneysel olarak araştırılması, birleşik bir yan savak-kapak yapısının akım karakteristiklerinin belirlenmesi önemlidir. Hidrolik yapılarda karşıdan alışlı akımlar için birleşik savak-kapak yapıları yaygın olarak kullanılsa da aynı durum yanal akımlar için geçerli değildir. Bu nedenle mevcut çalışmada birleşik çalışan savak-kapak yapılarının hidrolik karakteristikleri, doğrusal bir kanalda yanal akımlar için deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Ayrıca birleşik yan savak-kapak yapılarını daha iyi analiz edebilmek için aynı geometrilere sahip yan savaklar ve kapaklar için de geniş ve kapsamlı deneyler yapılmıştır. Birleşik yan savak-kapak yapısının sayısal analizi için Flow-3D kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak k- türbülans modeli kullanılmıştır. Farklı akım koşulları, geometri ve tiplere sahip 0.06, 0.09 ve 0.12 m kret yükseklikli yan savak, kapak ve birleşik yan savak-kapak modelleri için nehir rejiminde kapsamlı deneyler yürütülmüştür. Yan savak, kapak ve birleşik yan savak-kapak yapılarının deşarj kapasitesini etkileyen parametreler boyut analizi yapılarak belirlenmiş ve birleşik akımın karakteristikleri elde edilen boyutsuz parametreler dikkate alınarak detaylı olarak incelenmiştir. Bu çalışmada, nehir rejimi için birleşik yan savak ve kapağın akım özelliklerini belirlemek için 770 deney dizisi yürütülmüştür. Etkili boyutsuz parametrelerin birleşik savak-kapak yapısının deşarj kapasitesine etkisini belirlemek için deneysel sonuçlar analiz edilmiştir. Birleşik yan savak yapısının etkileşim faktörü, memba Froude sayısına, kapak açıklığının memba akım derinliğine oranına, kapak üst noktası ile savak kreti arasındaki düşey mesafenin kapak açıklığına olan oranına ve kapak veya savak uzunluğunun memba akım derinliğine ve savak veya kapak uzunluğunun ana kanal genişliğine oranına bağlı olduğu belirlenmiştir. Birleşik yan savak-kapak yapısının, klasik dikdörtgen yan savaklara ve yan kapaklara kıyasla belirgin derecede üstünlüğü ortaya konulmuştur. Birleşik yan savak-kapak yapısının deşarjı için doğrusal olmayan eşitlikler geliştirilmiş, elde edilen eşitliklerin güvenilirlik analizleri yapılmıştır. Sayısal çalışmadan elde edilen verilerle deneysel çalışma verileri arasında çok iyi bir uyum olduğu görülmüştür. Bütün birleşik yan savak-kapak modelleri için ortalama hata oranı değerinin %2 olduğu görülmüş ve sayısal analiz yöntemlerinin birleşik yan savak ve kapak yapısı için uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Flow measurement and level control in open channels are important to support the management of the hydraulic structure system. Side weirs are an important hydraulic structure used for purposes such as taking a certain amount of flow from a channel, evacuating excess water to regulate the water height. Many studies have been carried out in the literature on classical and labyrinth side weirs and gates in straight channels. It is important to experimentally investigate the flow characteristics of both weir and gate structures and to determine the flow characteristics of a combined side weir-gate structure. Although combined weir-gate structures are commonly used for frontal flows in hydraulic structures, the same is not true for lateral flows. Therefore, in the present study, the hydraulic characteristics of combined weir-gate structures were investigated experimentally and numerically for lateral flows in a straight channel. Several experiments were cconducted for side weirs and gates with the same geometries to better analyze the combined side weir-gate structures. Flow-3D was used. The k- turbulence model was used as the turbulence model. Extensive experiments were carried out in the subcritical flow conditions with 0.06, 0.09 and 0.12 m crest height side weir, gates and combined side weir-gate models with different flow conditions, geometries, and types. The parameters affecting the discharge capacity of the side weir, gate and combined side weir-gate structures were determined by dimensional analysis. The characteristics of the combined flow were examined in detail based on the obtained dimensionless parameters. In this study, 770 experiments were conducted to determine the flow characteristics of the combined side weir-gate for subcritical regime. Experimental results were analyzed to determine the effect of effective dimensionless parameters on the discharge capacity of the combined weir-gate structure. The interaction factor of the combined side weir structure is determined that it depends on the upstream Froude number, the ratio of the gate opening to the upstream flow depth, the ratio of the vertical distance between the top of the gate and the weir crest to the gate opening, and the ratio of the gate or weir length to the upstream flow depth and the ratio of the weir or gate length to the main channel width. Discharge capacity of combined side weir-gate is higher than classical rectangular side weirs and side gates. Nonlinear equations were developed for the discharge of the combined side weir-gate structure, and the reliability analyzes of the obtained equations were made. It has been observed that there is a very good agreement between the data obtained from the numerical study and the experimental study data. It has been seen that the mean error rate value for all combined side weir-gate models is 2% and it is concluded that numerical analysis methods are applicable for combined side weir and valve structure.