Serbest düşülü savakların mansabında oluşan yerel oyulmanın sayısal analizi
Numerical analysis of local scour occurring on downstream bed by free overfall weir
Yazar: ERDİNÇ İKİNCİOĞULLARI
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET EMİN EMİROĞLU ; PROF. DR. MEHMET CİHAN AYDIN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Bir yapının ekonomik veya ergonomik olması bir yana, inşaat mühendislerinin üzerinde durduğu en önemli konu yapı güvenliğidir. Su mühendisliğinde kullanılan savaklar da suyun membadan mansaba akışını güvenle sağlayan önemli hidrolik yapılardandır. Serbest düşülü olarak tasarlanabilen bu yapılardan savaklanan serbest jetin mansap havuzuna çarpması sonucu oluşan yerel oyulmalar, yapı güvenliğini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Bu sebeple mansap havuzunda oluşabilecek yerel oyulmaların en aza indirilmesi, yapının güvenliği açısından olmazsa olmazlardandır. 
Bu çalışmada; serbest düşülü dikdörtgen, üçgen, trapez ve labirent savaklar kullanılarak mansap havuzunda oluşması muhtemel yerel oyulma derinlikleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile sayısal olarak incelenmiş, elde edilen sonuçlar Fırat Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda yürütülen deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın sayısal modellemesinde özellikle açık kanal akımı, sediment taşınımı, oyulma gibi problemlerin çözümünde başarılı bir yazılım olan Flow3D kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak literatürde sıkça kullanılan k-ɛ türbülans modeli kullanılmıştır. 
Çalışma kapsamında kullanılan klasik dikdörtgen savaklar için üç farklı debi (15, 20, 30 L/s), üç farklı düşü yüksekliği (0.25, 0.50, 1.00 m) ve iki farklı kuyruksuyu derinliği (0.25 ve 0.50 m) kullanılarak toplamda 13 adet analiz yürütülmüştür. Bu çalışmaların 9 tanesi 0.25 m kuyruksuyu için yürütülürken, çeşitlilik olması sebebiyle, 4 tanesi de 0.50 m kuyruksuyu kullanılarak yürütülmüştür. Klasik üçgen savaklar, 90º tepe açısı ile tasarlanarak iki farklı debi (15, 30 L/s), iki farklı düşü yüksekliği (0.50 ve 1.00 m) ve iki farklı kuyruksuyu (0.25 ve 0.50 m) kullanılarak toplamda 8 adet analiz yürütülmüştür. Klasik trapez savaklar için iki farklı debi (15 ve 30 L/s), iki farklı düşü yüksekliği (0.50, 1.00 m) ve iki farklı kuyruksuyu (0.25 ve 0.50 m) kullanılarak toplamda 7 adet analiz yürütülmüştür. Labirent savaklar, iki farklı yan duvar açısı (=22 ve 30º) kullanılarak çift gözlü trapez olarak tasarlanmıştır. Labirent trapez savaklar için iki farklı debi (10, 30 L/s), iki faklı düşü yüksekliği (0.25 ve 0.50 m) ve iki farklı kuyruksuyu derinliği (0.25 ve 0.50 m) kullanılarak toplamda 7 adet analiz yürütülmüştür. 
Farklı savak çeşitleri kullanılarak yürütülen HAD analizlerinin sonuçları irdelenmiş, analiz sonuçları deneysel sonuçlar ile kıyaslanmış, yürütülen analiz sonuçlarına ait grafikler, tablolar, simülasyon çıktıları üzerinden yorumlamalar yapılmıştır. Bunlara ek olarak, farklı savak çeşitleri kullanılarak yürütülen analiz sonuçları birbiri ile kıyaslanarak literatüre katkı sağlanması amaçlanmıştır. 
Bu çalışma kapsamında yürütülen 35 analizden elde edilen sonuçların deneysel sonuçlar ile kıyaslanmasında; bağıl hata oranının %20'nin altında olduğu, birçok kabulün yapıldığı sediment problemlerinde bu değerin kabul edilebilir olduğu, labirent savakların mansabında oluşan maksimum oyulma değerinin klasik savaklardan daha düşük olduğu, ancak maksimum oyulmanın olduğu noktanın hidrolik yapıya olan yatay mesafesinin labirent savaklarda daha kısa olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Aside from the fact that a building is economical or ergonomic, the most important issue that civil engineers focus on is structure security. The weirs used in water engineering are also important hydraulic structures that provide the flow of water from upstream to downstream. These jets, which can be designed as free overfall, can affect the security of the structure. For this reason, minimizing the local scour that may occur in the downstream pool is a must for the safety of the structure.
In this study; rectangular, triangular, trapezoidal and labyrinth weirs for free overfall were analyzed numerically with the Computational Fluid Dynamics (CFD) method to estimate local scour depths. In the numerical modeling of this study, Flow3D which is successful software for solving problems such as open channel flow, sediment transport and scouring was used. As the turbulence model, k-ɛ turbulence model which is frequently used in the literature was used.
For the classical rectangular weirs used in the study, 13 analyses were conducted using three different discharges (15, 20 and 30 L/s), three different drop heights (0.25, 0.50 and 1.00 m) and two different tailwater depths (0.25 and 0.50 cm). The classical triangular weirs were designed with 90° angle and 8 analyses were conducted using two different flow rates (15 and 30 L/s), two different drop height (0.50 and 1.00 m) and two different tailwaters (0.25 and 0.50 m). For classical trapezoid weirs, 7 analyses were conducted using two different flow rates (15 and 30 L/s), two different drop height (0.50 and 1.00 m) and two different tailwaters (0.25 and 0.50 m). The labyrinth weir is designed as a double-eyed trapezoid using two different sidewall angles (=22 and 30º). 8 analyses were conducted using two different flow rates (10 and 30 L/s), two different drop heights (0.25 and 0.50 m) and two different tailwater depths (0.25 and 0.50 m) for the labyrinth trapezoid weirs.
The results of the CFD analysis were compared with the experimental results. The graphs, tables and simulation results of the analysis results were interpreted. In addition to these, it is aimed to make a contribution to the literature by comparing the results of the analysis carried out by using different weir types.
In comparing the results of 35 analyzes carried out within the scope of this study with experimental results; the relative error rate is less than 20%. This value is acceptable for sediment problems. The local scour at downstream of labyrinth weir is less than the local scour at downstream of the classical weirs. However, the horizontal distance of maximum scour depth for labyrinth weir is less than the classical ones.