Yoğun atık su deşarjının birinci seyrelmesinde görünür saçak modelinin uygulanması
Application of visual plumes model on dense wastewater discharge initial dilution
Yazar: SEVGİ DARAMA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEMİH NEMLİOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Deniz, okyanus vb. büyük alıcı su ortamlarına, bu ortamlardan daha fazla yoğunluğu olan maden atıksuyu, tuzlusu veya soğuk su gibi özellikle fiziksel ve kimyasal kirliliğe sahip yoğun atıksuların deşarjı, evsel atıksu vb. gibi yüzen atıksu deşarjına oranla daha az araştırılmış bir konudur. Çevre ile ilgili yasal mevzuatlardaki kirleticilerin sınır koşullara uygun olarak deşarj tesisi projelendirilmesi yapılabilmesi için atıksu jetlerinin geometrisinin ve deşarj koşullarına göre seyrelme değerlerinin belirlenmesine veya hesaplanarak tahmin edilmesine gereksinim duyulmaktadır. Deşarj tesisinden deşarj edilen atıksu jetlerinin jet geometrisinin ve çeşitli konumlardaki seyrelmesinin tahmini olarak bulunabilmesi için matematik modeller kullanılmakta ve hızlı işlem yapılabilmesi için paket bilgisayar programlarından yararlanılmaktadır. Yüzen jet karakterli evsel atıksu deşarjı için çok daha fazla deşarj tesisi tasarımı yapıldığından, paket programlar da genel olarak hazırlanıp yüzen atıksular için validasyon (geçerlilik) incelemeleri gerçekleştirilerek, programlardaki aksaklıklar deneysel çalışmalar ile karşılaştırma yapılarak düzeltilmeye çalışılmıştır. Yoğun jet içeren deşarj tesisi tasarımları için de paket programların bu tür bir validasyon incelemelerine ve mümkünse paket programların hesaplama hassaslığının artırılmasına ihtiyaç duyulmaktadır.Bu çalışmada, deniz deşarjı tasarımı için jet geometrisi ve seyrelme hesaplamalarında kullanılan başlıca programlardan olan ABD Çevre Koruma Kurumu (US EPA) tarafından üretilmiş ?Görünür Saçaklar? (Visual Plumes) (VP) bilgisayar programının validasyon seviyesinin belirlenmesi ve tahmin hesaplarının hassasiyetinin artırılması incelemesi yoğun atıksu deşarjında oluşan yoğun jetlerin jet geometrisi ve birinci seyrelmesi için gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, Nemlioğlu tarafından 3D LIF (3 boyutlu lazerle uyarılmış ışınım) yöntemi kullanılarak yoğun jetin düşey açılar ile yukarı yönlendirilmiş tekil dairesel deşarj deliğinden durgun ve homojen su ortamı içerisine bırakılan atıksuların deneysel olarak elde edilmiş jet geometrik parametreleri ve seyrelme değerleri ele alınarak, aynı deneysel şartların VP paket programının UM3 alt modelinde karşılaştırma için uygulanması yapılmıştır. Deneysel verilerin alındığı çalışmada, yoğun jetlerin yukarı yönlendirme açıları ?0= 0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º ve 90º' dir ve akım koşulları yoğunluksal Froude sayısı yaklaşık F= 20 olacak şekilde ayarlanmış, Reynolds sayısı Re= 2200 seçilerek türbülanslı akım sağlanmıştır. Sonuçta, deneysel ve VP hesaplamasıyla bulunan yoğun jet geometrik parametreleri ve birinci seyrelmeyi oluşturan ?etki noktası seyrelmesi? değerleri karşılaştırılarak, VP'nin her bir parametre için validasyon miktarları belirlenmiştir. Her bir parametre için deneysel-VP değerleri arası yüzdesel farklar bulunarak, kabul edilebilir sapma miktarı olarak benimsenen ardışık deneylerin birbiri arasındaki farklara göre karşılaştırmaları yapılmıştır. Sonuçta, VP'nin jetin taban etkileşimini dikkate almadan, sadece yoğun jet merkez ekseninin tabana çarptığı ?etki noktası?na kadar değerlendirmeye alınabilecek hesaplamalar yaptığı, ?yakın bölge? seyrelmesini ve yerini bulamadığı, yoğun jet enkesitleri dairesel olmadığı halde dairesel kabul ettiği belirlenmiştir. Ayrıca, yoğun jet parametrelerinin VP'de hesaplanmış değerlerinin sabit olmayan validasyon değerlerine sahip oldukları ve bu farklılıkların deşarj açısıyla da değişim gösterdiği belirlenmiştir. Yoğun jet için VP'de UM3 uygulamasının validasyon değerinin geometrik parametreler için ki etki noktası ve kt iç tepe noktası düzeltme katsayılarının kullanılmasıyla %100'e yaklaştırılabileceği belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda, yoğun jet geometrik parametrelerinin ki ve kt düzeltme katsayılarının her bir parametre ve deşarj açısı aralığı için tekil veya kombine kullanılarak farklı çözümler ile VP'nin yüksek seviyede validasyonu sağlanmıştır. Ayrıca, 15°? ?0 ? 75° açı aralığında ki=0,0104??0+0,962 eşitliği ve 15°? ?0 ? 90° açı aralığında kt=0,0032??0+1,2255 eşitliği ile ara yukarı yönlendirme açıları için de düzeltme katsayılarının tahmin edilebileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Especially physical and chemical pollutants including dense wastewater discharges, which are originated from mine effluent, brine or cold water and they are denser than receiving water, are a lesser investigated issue comparing positively buoyant wastewater discharge such as domestic wastewater etc. into marine, ocean etc. huge receiving water ambient. In order to design marine outfall obeying environmental regulations pollutant limitation standards, it is necessary to determine or estimate by calculations wastewater jet geometries and dilutions under discharge conditions. Mathematical models are used for estimation of outfall originated wastewater jet geometry and dilutions in various locations and numerical model computer programs are utilized for quick calculations. Numerical models were prepared for general purposes for positively buoyant jet characterized discharges because of the fact that most of designations were needed for domestic wastewater discharging marine outfalls. So, validation studies for these numerical model programs were mostly performed for positively buoyant wastewaters and confirmation studies of these computer programs were arranged by experimental data sets comparison then solved their problems. However, numerical model programs are also required this kind of validation investigations and if possible increase the accuracy of the estimation calculations for dense jet including outfalls.In this study, validation level determination and estimation calculation sensitivity increase investigation of ?Visual Plumes? (VP) computer program, which is one of the main program for sea outfall design used for determination of dense wastewater discharges? jet geometry and initial dilution calculations and produced by USA Environmental Protection Agency (U.S. EPA), were performed . In this study, experimental dense jet geometrical parameters and dilutions data sets of dense jets of dense wastewaters with vertical inclination angles of one singular circular discharge nozzle which were discharged into stagnant, homogeneous water ambient, which were obtained by Nemlioglu via 3D LIF (3 dimensional laser induced fluorescence) method, were taken into account than application of same conditions of the experiments were performed in VP mathematical computer program?s sub model UM3 for comparison. Inclination angles of dense jets were ?0= 0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º and 90º, flow conditions were arranged for gravimetric Froude number F=20 approximately, and Reynolds number Re=2200 were selected for turbulent flow conditions in the reference experimental study. Finally, experimental and VP estimated dense jet geometrical parameters and ?impact point dilution? values, which contains initial dilution, were compared each other than validation levels of VP for per parameters were determined. Difference percentage of experimental-VP values for per parameters were obtained and compared with deviation amount of sequential experiments, which were adopted for acceptable level. As a result, following results were found: VP performs calculations only can be taken into account until ?impact point?, which is the intersection point of dense jet centerline with bottom; VP can not calculate ?near field? dilution and its location; and although dense jet?s cross-sections are not circular, VP assumes them circular. In addition, it was determined that VP calculated dense jet parameters have inconstant validation level and these differences vary with jet inclination angle. It was found that validation level of VP, UM3 application for dense jet can be closer 100% using impact point correction coefficient ki, and internal terminal rise height correction coefficient kt for jet geometric parameters. As a result of this study, high level validity of VP provided for dense jet geometric parameters with ki and kt correction coefficients using for each different parameters and inclination angle range via singular or combined applications. Moreover, it was found that correction coefficients can be estimated for middle inclination angles in 15°? ?0 ? 75° range with ki=0,0104??0+0,962 equation, and in 15°? ?0 ? 90° range with kt=0,0032??0+1,2255 equation.