Hidrolik sıçramanın havalandırma verimliliğinin incelenmesi
Investigation of hydraulic jump self-aeration process
Yazar: SERHAT KÜÇÜKALİ
Danışman: DOÇ.DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Doğal havalandırma, havadaki oksijenin suya olan transferi olarak tanımlanmaktadır. Doğalhavalandırmayı sağlayan üç tane hidrodinamik süreç vardır, bunlar: (1) hidrolik sıçrama, (2)su düşümü, (3) basamaklı kanallardan ilerleyen akım. Bu yapıların bir diğer ortak özelliğihidrolik yapılarda enerji kırıcı olarak kullanılmalarıdır. Bu noktadan hareketle, doğalhavalandırma verimliliğiyle enerji kırılması arasında pozitif bir ilişkinin bulunmasıbeklenmektedir. Doğal havalandırmayı sağlayan bu hidrodinamik süreçlerde,termodinamiğin 1. prensibine dayanılarak, kaybolan enerjiden büyük ölçekli çevrilerinsorumlu olduğu ve bu çevrilerin yaptığı işin suya oksijen transferini sağlayan mekanizmaolduğu yaklaşımında bulunulmuştur. Bu hipotezi desteklemek için laboratuarda klasikhidrolik sıçramayla ilgili sistematik deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler, genişliği 0.5 molan bir açık kanalda gerçekleştirilmiştir ve deneylerde Fr1 = 2.3 ? 6.4 arasında, veRe=1.4?5.4×104 arasında değerler almıştır. Havalandırma verimliliği 0.01-0.1 arasındadeğişim göstermiştir ve transfer olan oksijen miktarıyla, kırılan enerji miktarı arasındakuvvetli bir ilişki bulunmuştur. Deneysel verilerin analizi sonucu, hidrolik sıçramanınhavalandırma verimliliğini yük kaybının ve birim genişlikten geçen debinin fonksiyonuolarak tahmin eden bir formül geliştirilmiştir. Havalandırma verimliliği yük kaybının ¾'cü,birim genişlikten geçen debinin ise ¼'cü kuvvetiyle ilişkilendirilmiştir. Olaydaki türbülansyapısının önemli rolü yapılan ölçümlerle ortaya konmuştur. Hidrolik sıçrama boyuncaki akımdoğrultusundaki türbülans şiddeti eksponansiyel olarak azalan , türbülans kinetik enerjisi iselineer olarak azalan bir fonksiyon sergilemiştir ve bu gidiş hidrolik sıçramadaki havakonsantarsyonu dağılımıyla uyuşmaktadır. Elde edilen deneysel bulgular, hidrolik sıçramdakiyük kaybının, ortamdaki türbülans kinetik enerjisini temsil ettiğini göstermektedir ve busüreç yüzey yenilenme teoremini desteklemektedir. Sonuçta, hidrolik sıçramanın, arıtmatesislerinde etkin bir havalandırıcı ve karıştırıcı olarak kullanabilineceği ortaya konmuştur.Anahtar Kelimeler: Doğal havalandırma, Hidrolik sıçrama, su kalitesi, türbülans

Abstract:
Self-aeration is defined as the transfer of oxygen from air towards water. There are threehydrodynamic processes that ensure reaeration, these are: (1) hydraulic jump, (2) water fall,and (3) flow over stepped channels. Other common characteristic of these processes are, theyare also used as energy dissipaters. From this point of view, it is expected to find a positivecorrelation between the aeration efficiency and energy dissipation. Thus, it is suggested thatenergy consuming large-scale eddies are responsible for the suction of air into water, based onthe Thermodynamics First Law. Hence, aeration efficiency should be directly proportionalwith the work done by these eddies and to support this hypothesis, systematic experimentshave been carried out for classical hydraulic jumps. Experiments were conducted in a 0.5 mwide flume with upstream Froude and Reynolds numbers ranging from 2.3 to 6.4 and 1.4 to5.4x104, respectively. Aeration efficiency got values between 0.01-0.1 and a strong correlationwas found between the aeration efficiency and energy dissipation indicating the large-scalesurface renewal eddies dominant role in the process. It was found that aeration efficiency is inproportion to the ¾ power of head loss and ¼ power of unit discharge. In addition,simultaneous measurement of turbulence quantities and dissolved oxygen were conducted.Turbulent characteristics exhibit decreasing exponential function through the hydraulic jumpand this trend matches with the air concentration distribution. Moreover, the data revealsthat head loss term represents the degree of turbulence kinetic energy related with the macroscalevortices occurred in the roller length region and these findings are in agreement with thesurface renewal theory. Consequently, experimental findings suggest that hydraulic jump canbe used as a self-aerator and mixing device in water treatment plants.Keywords: Self-aeration, Hydraulic jump, Water quality, Turbulence