Su mikro-drenaj sistemlerinin bitki kökleri örnek alınarak tasarlanması
Designing water micro-drainage systems taking plant roots as an example
Yazar: HAVVA KAYA
Danışman: PROF. DR. SEMRA KILIÇ ; PROF. DR. SELÇUK ÇÖMLEKÇİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bitki köklerinin su ve mineral maddeleri almak için kullandıkları mekanizma yüz yıllardır araştırılmaktadır. Hâlâ yeni verilerin ortaya çıkıyor olması bitki köklerinin ne kadar eşsiz olduğunun bir kanıtıdır. Giderek artan su problemlerinin yeni geliştirilecek, doğadan ilham alan, kanıtlanmış, çözüm modellerine ihtiyacı vardır. Geçtiğimiz yıllarda birçok biyomimetik çalışma su toplama, suyu arıtma veya yeraltından su çıkarma modelleri gibi projelerde kullanılmıştır.
Bu tez kapsamında yaşam alanlarına göre seçilen 10 bitkinin kök ve gövde anatomisi incelenmiştir. İncelenen bitkilerin kesitleri ışık mikroskobu ve SEM elektron mikroskobu ile tarandıktan sonra elde edilen datadan kapiller su taşınmasında kullanılmak üzere bir mikro drenaj malzemesi tasarlanmıştır. Önerilen tasarı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programında simüle edilmiştir.
Tez kapsamında su bitkileri olan Nasturtium officinale (su teresi), Egeria densa (Elodea), Hydrocotyle leucocephala, Hygrophila corymbosa, Hygrophila polysperma; hava köklerini incelemek amacıyla epifit bir bitki olan Phalaenopsis cultivars (orkide); kurak ve yarı kurak bölge bitkileri olan Ferocactus glaucescens (kaktüs) ve Salvia officinalis (adaçayı); ilkel damarlı bitkiler olan Polypodium vulgare (benli eğrelti otu), ve Davallia denticulata (tavşan ayağı eğreltisi) incelenmiştir.
Önerilen bu mikro boyuttaki su iletim modülünün tasarımında orkide köklerinde yer alan velamen radikum tabakasının gözenekliliğinden, kaktüs köklerinin kaspari şeritli endodermis tabakasının kalınlığından, eğreltilerin ve su bitkilerinin kapiller basıncı iyi yöneten ksilem anatomik özelliklerinden faydalanılmıştır.
Malzemenin modellemesi ve akışkan dinağiminin hesaplanması ileri mühendislik programı olan ANSYS Fluent ile yapılmıştır.
iv
Hesaplamalar için tasarlanan katmanlı modül iki bölüm halinde ele alınmıştır. Önce suyun mikrofilrosyon yapılarak içeri alındığı porlu tabakadan suyun geçişi hesaplanamıştır. Daha sonra eldilen veriler suyun taşınmasında görevli olan ksilem benzeri kanalda akışkan dinamaği hesaplamak için kullanılmıştır.
Yapılan simülasyona göre ksilem kanal geçitlerinin geometrik özellikleri suyun boru içine girerken meydana getirdiği türbülans kinetik enerjisini artırmıştır. Malzeme tasarımında önerilen biyobenzer kılcallığın muhtemelen kavitasyonu azaltması sebebiyle çıkışta akışkan hızının arttığı gözlenmiştir.
Sonuç olarak bitki su taşıma sistemlerinden ilham alan bu çeşit bir su iletim malzemesinin mikro boyutta su transferi için enerji tasarrufu sağladığı söylenebilir.

Abstract:
The mechanism that plant roots use to take up water and mineral substances has been studied for centuries. The fact that new data is still emerging is a testament to how unique plant roots are. Increasing water problems need newly developed, nature-inspired, proven solution models. In recent years, many biomimetic studies have been used in projects such as water collection, water purification or underground water extraction models.

Within the scope of this test, the root and stem anatomy of 10 plants selected according to their habitats were examined. After the cross-sections of the plants were scanned by light microscopy and SEM electron microscopy, a micro drainage material for capillary water transport was designed from the data obtained.The proposed design was simulated in the Computational Fluid Dynamics (CFD) program.

Within the scope of the thesis, the aquatic plants Nasturtium officinale (watercress), Egeria densa (Elodea), Hydrocotyle leucocephala, Hygrophila corymbosa, Hygrophila polysperma; orchid (Phalaenopsis cultivars), an epiphyte plant, to examine aerial roots; Ferocactus glaucescens (cactus) and Salvia officinalis (sage), which are plants of arid and semi-arid regions; Polypodium vulgare (mole fern), and Davallia denticulata (rabbit's foot fern), which are primitive vascular plants, were examined.

In the design of this proposed micro-sized water conduction module, the porosity of the velamen radicum layer of orchid roots, the thickness of the caspari banded endodermis layer of cactus roots, and the xylem anatomical features of ferns and aquatic plants that manage capillary pressure well were utilized.

Modeling of the material and calculation of fluid performed with the advanced engineering program ANSYS Fluent.

The layered module designed for calculations was considered in two parts. First, the water flow through the porous layer, where water is taken in by microfiltration, was calculated. Then, the obtained data were used to calculate the fluid dynamics in the xylem-like channel responsible for water transport.

According to the simulation, the geometrical features of the xylem canal passages increased the kinetic energy of turbulence as water entered the pipe.  The biosimilar capillarity proposed in the material design was observed to increase the fluid velocity at the outlet, possibly due to reduced cavitation.

In conclusion, it can be concluded that this kind of water conveyance material inspired by plant water transport systems can save energy for water transfer at the micro-scale.