Su alma ağzı membasında oluşan oyulma çukuru karakteristiklerinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigations of scour hole characteristics upstream of intakes
Yazar: BERKAY ERAT
Danışman: DOÇ. DR. KEREM TAŞTAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çalışmada sediment dane çapının, su alma ağzı debisi ve konumunun, membasında oluşan oyulma çukuruna etklier deneysel ve sayısal model ile çalışılmıştır. Deneysel gözlemler, yüzey altı çevrintiler ve akım alanındaki hız dağılımı olmak üzere, sediment taşınımında etkin iki farklı olayın olduğunu göstermektedir. Radyal akım kaynaklı taşınım deney başlangıcında kısa süreli etkiye sahip olup deneyin büyük bir kısmında ağza sediment taşınımı çevrintiler ile gerçekleşmektedir. Densimetrik Froude sayısının artması ile oyulma geometrisinin genişliğinin, uzunluğunun ve derinliğinin arttığı gözlemlenmiştir. Su alma ağzı – kanal yatağı arası mesafe arttıkça oyulma çukurunun küçüldüğü gözlemlenmiştir. Ölü-son duvarın yarattığı sınır sürtünme etkisinden ötürü su alma ağzı ile ölü-son duvarının bitişik olması durumunda maksimum oyulma derinliğinin en düşük değerde olduğu; aradaki mesafenin artmasıyla ise maksimum oyulma derinliğinin arttığı görülmüştür. Maksimum oyulma derinliğinin su alma ağzı – ölü-son duvarı mesafesine göre değişimi için elde edilen sonuçlar, sediment danesinin su alma ağzına ilk girişi durumunu tanımlayan kritik Froude sayısı için de geçerlidir. Oyulma çukuru maksimum uzunluğu ve genişliği parametrelerinde etkin taşınım mekaniği radyal hız dağılımı olup su alma ağzından uzak noktalarda çevrintilerin taşınıma etkisi düşüktür. Bu nedenle su alma ağzı – ölü-son duvarı arası mesafenin artması maksimum oyulma çukuru uzunluğu ve genişliğinin düşmesine neden olur. Deneysel çalışmalardan edilen oyulma değerleri ile oyulma çukuru karakteristik özelliklerinin her biri için birer ampirik denklem geliştirilmiştir. Çalışmanın sayısal modellenmesi kısmında ise Flow 3D yazılımı kullanılmıştır. Optimum modeli oluşturabilmek için çeşitli türbülans modelleri ve çözüm ağı konfigürasyonları incelenmiştir. Genel olarak kabul gören kritik Shields yaklaşımı oluşturulmasında kullanılan deneysel çalışmaların, çevrinti etkilerinin yoğun olduğu taşınımlarda yetersiz kaldığı görülmektedir. Bu nedenle sayısal model, farklı su alma ağzı debileri ve konumları için yapılan deneylerle, kritik Shields sayısı düzeltme parametresi olarak kullanılarak doğrulanmıştır. Sonuç olarak, Flow-3D yazılımının belirli akım ve geometrik koşullar altında oyulma karakteristiklerini, tahmin etmede başarılı olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of sediment diameter, intake discharge and the intake location on the scour hole upstream of intake were studied experimentally and numerically. Experiments show that there are two different mechanisms effective on sediment transport, namely sub-surface vortices and velocity effect. The velocity induced transport is dominant at the beginning of the experiment and the sediment transport is continued by the sub-surface vortices for the rest of the experiment. It has been observed that the width, length and depth of the scour geometry increased with increasing densiometric Froude number. Also, the scour hole becomes smaller as the distance between the intake and the sediment specimen layer increases. Due to the boundary friction effect created by the dead-end wall, has been observed that the maximum scour depth is the lowest when the intake is adjacent to the dead-end, and deepen with distance increase. The results for the variation of the maximum scour depth value with the distance between intake and the dead-end wall are also valid for the critical Froude number, which defines the initial entrainment of the sediment particle. Since the sub-surface vortices occur mostly below the intake, their influence on the width and length of the scour pit is not as impactful as that of the scour depth. The effective transport mechanism for the maximum scour hole length and width parameters is radial velocity distribution. The effect of the sub-surface vortices at points far from the intake is low. Therefore, increasing the distance between the intake and the dead-end wall causes the maximum scour pit length and width to decrease. Using the scour values obtained from the experimental studies, an empirical equation has been developed for each of the scour hole characteristics. Flow 3D has been used for the numerical modelling part of the study. Various turbulence models and mesh configurations were investigated to generate the optimum model. It is seen that Shields approach are insufficient for flow conditions where the effects of the vortices are dominant. Therefore, the numerical model was validated by experiments for different intake flow rates and locations using the critical Shields number as a calibration parameter. As a result, the Flow 3D software was found to be successful in predicting the scour character under certain flow and geometrical conditions.