Basamaklı dolusavakların hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile incelenmesi
Investigation of stepped spillways by computational fluid dynamics (CFD) method
Yazar: EYYÜP ENSAR YALÇIN
Danışman: DOÇ. DR. NİHAT KAYA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDİNÇ İKİNCİOĞULLARI
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dolusavak = Spillway ; Enerji sönümleme = Energy damping ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD)

Özet:
Basamaklı dolusavaklar, boşaltım kanalı boyunca yerleştirilen basamaklar sayesinde akım enerjisinin büyük kısmını sönümleyebilmektedir. Basamakların enerji sönümlemedeki etkisi sebebiyle yüzyıllardır kullanılan bu dolusavaklar, birçok akademik çalışmaya da konu olmuştur. Araştırmacılar, enerji sönümleme oranında daha iyi neticeler elde edebilmek için farklı basamak geometrileri önermeye devam etmektedir. Bu tez çalışmasında, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi yazılımlarından olan Flow-3D kullanılarak basamaklı dolusavaklardaki akım, sayısal olarak incelenmiştir. Çalışma, temel olarak iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda, DSİ TAKK (Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol) Dairesi Başkanlığı tarafından 1/40 ölçekli olarak modellenen Antalya Gökçeler Barajı basamaklı dolusavağının deney sonuçları, dört farklı türbülans modeli (𝑘-𝜀, 𝑘-𝜔, LES, RNG) kullanılarak sayısal olarak incelenmiş ve deneysel sonuçlarla en uyumlu türbülans modelleri tespit edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise literatürdeki klasik basamaklı bir dolusavak modelinin deney sonuçları kullanılarak sayısal doğrulama yapılmış ve üçgen basamaklı dolusavak geometrileri önerilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında yürütülen analizlerin deney sonuçları ile kıyaslanması neticesinde, debi-seviye eğrilerinde en uyumlu türbülans modelinin 𝑘-𝜔; dolusavak basınç ölçümleri, sönümlenen enerji oranları ve yaklaşım kanalı hızlarında en uyumlu türbülans modelinin 𝑘-𝜀; dolusavak su yüzü profillerinde ise en uyumlu türbülans modelinin LES (Large Edyy Simulation) olduğu görülmüştür. Çalışmanın ikinci kısmında yürütülen analizler neticesinde ise tüm modellerde debi arttıkça enerji sönümleme oranının azaldığı, çalışmada kullanılan tüm debilerde üçgen basamaklı dolusavakların klasik basamaklı dolusavağa kıyasla daha yüksek oranda enerji sönümleyebildiği, üçgen basamaklı modellerde basamak derinliğinin (ht) artışıyla birlikte enerji sönümleme oranın arttığı, üçgen basamaklı dolusavakların klasik basamaklı dolusavağa göre yaklaşık %78'e kadar daha fazla enerji sönümleyebildiği sonuçlarına varılmıştır.

Abstract:
Stepped spillways can dissipate most of the flow energy thanks to the steps placed along the discharge channel. These spillways, which have been used for centuries due to the effect of steps on energy dissipation, have also been the subject of many academic studies. Researchers continue to propose different step geometries in order to achieve better results in the energy dissipation ratio. In this thesis, the flow in stepped spillways was numerically investigated by using Flow-3D, which is one of the Computational Fluid Dynamics (CFD) method software. The study basically consists of two parts. In the first part, the experimental results of Antalya Gökçeler Dam stepped spillway, modeled on 1/40 scale by DSI TAKK Department, were analyzed numerically using four different turbulence models (𝑘-𝜀, 𝑘-𝜔, LES, RNG) and the most compatible turbulence models with the experimental results were determined. In the second part of the study, numerical verification was made using the experimental results of a classical stepped spillway model in the literature and triangular stepped spillway geometries were proposed. As a result of the comparison of the analyses carried out in the first part of the study with the experimental results, it was observed that 𝑘-𝜔 was the most compatible turbulence model for flow rate-levels curves; 𝑘-𝜀 was the most compatible turbulence model for spillway pressure measurements, dissipated energy ratios and approach channel velocities; and LES (Large Edyy Simulation) was the most compatible turbulence model for spillway water surface profiles. As a result of the analyses carried out in the second part of the study, it was concluded that the energy dissipation rate decreases as the flow rate increases in all models, triangular stepped spillways can dissipate more energy than conventional stepped spillways at all flow rates used in the study, the energy dissipation rate increases with the increase in step depth (ht) in triangular stepped models, and triangular stepped spillways can dissipate up to 78% more energy than conventional stepped spillways.