Yer altı drenaj sistemleri hidrodinamiğinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of hydrodynamic properties of underground drainage systems
Yazar: KENAN KAYA
Danışman: PROF. DR. OKTAY ÖZCAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar mekaniği = Fluid mechanics ; Açık kanallar = Open channels

Özet:
Bu tez çalışmasında öncelikli olarak yeraltı atık su ve yağmur suyu toplama/aktarım
sistemlerinde kullanılan boruların iç yüzeyine yarım-daire kesitli pürüzlülük
elemanlarının düzenli aralıklarla yerleştirilmesinin türbülanslı üniform açık kanal akışı
şartları altında akış direnci üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla; 7% eğime sahip
0.6, 0.8, 1.2 ve 2.2 m çaplı borularda 0.1 ile 2.5 m3/s arasında değişen debiler için
sayısal çözümler yapılarak Manning pürüzlülük katsayısı n' nin pürüzlülük elemanlarının
genlik-dalga boyu oranı ile değişimi incelenmiştir. Kullanılan sayısal modelin
doğruluğunu kontrol etmek amacıyla 0.8 m çapındaki pürüzsüz ve iki farklı genlik-dalga
boyu oranına sahip pürüzlü borularda farklı debi değerleri için 1:1 ölçekli deneyler
yapılmış ve sayısal çözümlerin öngördüğü Manning sayısı değerlerinin deneylerden
elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Elde edilen sayısal çözüm
sonuçları kullanılarak Manning pürüzlülük katsayısı n ile pürüzlülük elemanlarının
genlik-dalga boyu oranı arasında yeni bir bağıntı önerilmiştir. Sayısal çözüm sonuçları
büyük çaplı borularda pürüzlülük genlik-dalga boyu oranındaki belli bir artışın, Manning
sayısında görece küçük çaplı borulardakine göre daha büyük bir artışa neden olduğunu
göstermiştir.
Sayısal çözümler yardımıyla ayrıca Manning pürüzlülük katsayısı n' nin dairesel kesitli
pürüzsüz ve pürüzlü kanalda çap, eğim ile birlikte üniform akış bölgesindeki Reynolds
xviii
sayısı, Froude sayısı ve doluluk oranı gibi parametreler ile değişimi incelenmiştir.
Manning sayısının verilen bir kanal geometrisi için sadece kanal pürüzlülüğüne bağlı
geometrik bir parametre olduğu varsayımı yapılarak; ortalama n değerleri çapları 0.1,
0.2, 0.4 ve 0.6 m olan borular için pürüzsüz kanal akışında 0.008, pürüzlü kanal akışında
ise 0.012 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak pürüzlülüğün artmasıyla Manning sayısında
dikkate değer bir artış sağlandığı görülmüştür. Bu da yüksek eğimlerde yeraltı atık su
hatlarında akışkanın hızının düşürülerek aşındırıcı etkisinin azaltılması açısından istenen
bir sonuçtur.
Dairesel kesitli pürüzsüz ve pürüzlü kanallardaki açık kanal akışında geçiş bölgesi
uzunluğunun kanal giriş şartları ve bazı geometrik parametrelerle değişimini incelemek
amacıyla ayrıca sayısal çözümler yapılmıştır. Burada ele alınan parametreler kanal
eğimi ile giriş kesitindeki Reynolds sayısı, Froude sayısı ve derinlik oranıdır. Buna göre,
boru akışındakinin tersine, açık kanal akışında geçiş bölgesi uzunluğu ve Reynolds sayısı
arasında genel olarak ters orantılı bir değişim görülmüştür. Geçiş bölgesi uzunluğunun
ayrıca Froude sayısı, doluluk oranı ve kanal eğimiyle değişimini belirten genel
fonksiyonel biçimler tespit edilmiştir. Sayısal çözüm sonuçlarına göre kanal çapı ile
boyutsuzlaştırılmış geçiş bölgesi uzunluğu için pürüzsüz kanal akışında üniform akışın
büyük oranda garanti altına alındığı değer kabaca 110, pürüzlü kanal akışında ise 60
olarak alınabilir.
Son olarak, dairesel kesitli bir düşü bacasında gerçekleşen üç özel akış rejimi
hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Baca içerisindeki
akışın hesaplanmasında kullanılan sayısal çözüm yönteminin doğruluğunun kontrol
edilmesi amacıyla, yatay bir düzleme çarpan jet akımı farklı türbülans modelleri ve
duvar fonksiyonları kullanılarak çözülmüş ve bu sayısal çözümlerin sonuçları literatürde
daha önce sunulmuş olan deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Baca içerisindeki bağıl
enerji kaybı ve havuz derinliğini en iyi tahmin eden türbülans modelinin  − < realizable,
duvar fonksiyonunun ise non-equilibrium duvar fonksiyonu olduğu tespit edilmiştir. Bu
sayısal model kullanılarak jet akımının doğrudan baca tabanındaki su yastığına, çıkış
hattı ağzına ve baca duvarına çarptığı üç farklı çarpma durumu için sayısal çözümler
yapılmıştır. Sayısal sonuçlar bağıl enerji kaybı, yerel kayıp katsayısı, havuz derinliği gibi
bazı değişkenler cinsinden düşü bacası ile ilgili literatürde sunulmuş olan bir deneysel
çalışmanın sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak sayısal çözümlerin öngördüğü
bağıl enerji kaybının deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür. Ek olarak, baca
içerisindeki hız ve basınç alanına ilişkin sonuçlar seçilen bazı düzlemler üzerinde akım
geometrisine ilişkin kritik noktalar ile birlikte sunulmuştur.

Abstract:
In this thesis, first, effect of inserting uniformly distributed semi-circular ribs on friction
factor is investigated for different height-to-pitch ratios inside circular pipes to be used
in underground drainage systems for turbulent uniform open channel flow conditions.
For this purpose; variation of Manning's roughness coefficient n with amplitude-towave
length ratio of ribs is determined by means of numerical simulations conducted
for circular pipes having diameters of 0.6, 0.8, 1.2 and 2.2 m and a slope of 7% with
discharges varying between 0.1 and 2.5 m3/s. To be able to assess accuracy of the
numerical model employed, full-scale experiments are conducted for smooth and ribroughened
pipes of 0.8 m diameter, where two distinct inner roughness profiles and
various flow rates are employed; and it is seen that the values of Manning's roughness
coefficient predicted by the numerical solutions are in accordance with the ones
obtained from experiments. Considering the numerical results, a new correlation
between Manning's n and amplitude-to-wave length ratio of rib-roughness is
proposed. Results of the numerical solutions have shown that an increase in
amplitude-to-wave length ratio leads to a larger increase in Manning's roughness
coefficient in pipes of large diameter than it does in pipes of respectively smaller
diameter.
Moreover; variation of Manning's roughness coefficient n with Reynolds number,
Froude number and filling ratio specified in uniform flow region, as well as with pipe
xx
diameter and slope is investigated by means of numerical solutions for smooth and ribroughened
channel with circular cross-section. Assuming that Manning's roughness
coefficient is a pure geometrical parameter dependent solely on channel roughness;
average value of n is found to be 0.008 for smooth pipes and 0.012 for rib-roughened
pipes with diameters of 0.1, 0.2, 0.4 and 0.6 m. Consequently, it is found that Manning
roughness coefficient can be increased significantly, which is a favorable outcome with
regard to reducing abrasive effect of water by lowering its velocity to more plausible
values for steep slopes in an underground pipe network.
Further numerical calculations for open channel flow in smooth and rough channels of
circular cross-section were conducted to investigate variation of the length of the
transitory zone with inlet conditions and some geometrical parameters. The
parameters considered here are Reynolds number, Froude number and filling ratio
specified at the channel inlet section; as well as channel diameter and slope.
Accordingly, unlike the case in pipe flow, there is an inversely proportional relation
between the length of the transitory zone and Reynolds number. Functional forms
describing the variation of the length of the transitory zone with Froude number, filling
ratio and channel slope are also established. According to the results; safe values for
the length of the transitory zone, which is non-dimensionalized by the pipe diameter,
can be taken as 110 for smooth channel, and 60 for rib-roughened channel.
Finally, three regimes of flow inside a drop manhole with circular cross-section are
investigated by means of computational methods. To check the accuracy of the
numerical method used to calculate the flow inside a drop manhole, jet flow impinging
onto a horizontal plane is calculated by employing different turbulence models and
wall functions and results of these numerical solutions are compared with those of the
experimental studies presented previously in the literature. It is concluded that the
turbulence model and wall function predicting the relative energy loss and pool depth
the best is  − < realizable and non-equilibrium wall function, respectively. By adopting
this numerical method, numerical solutions are conducted to calculate three particular
cases; i.e. direct impact of the jet stream to the water cushion formed at the manhole
base, to the invert of the outlet pipe and to the manhole shaft. Numerical results are
compared with those presented in a previous experimental study concerning drop
manholes; in terms of relative energy loss, local loss coefficient and pool depth. As a
result, it is observed that values of relative energy loss estimated by numerical
solutions are in accordance with those obtained from the experimental study. In
addition, results related to the velocity and pressure field, as well as ciritical points
related to flow geometry inside drop manhole are presented on some preferred
planes.