Su alma yapılarında oluşan havalı çevrintinin özellikleri
Characteristics of air-entraining vortex at intake structures
Yazar: KEREM TAŞTAN
Danışman: PROF. DR. NEVZAT YILDIRIM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmanın birinci kısmında, su alma ağzına giren havalı çevrintinin (air-core vortex) oluşumuyla ilgili mevcut çalışmalardan kısa bir özet verilmiştir. Çevrintiler, esas olarak su alma ağzı akımına engel etkisi oluşturan akım sınırlarından kaynaklanır. Bu çalışmanın konusunu yakından ilgilendirmesi nedeniyle serbest su yüzeyinden (hava, gaz sınırından) başlayıp gelişen çevrintinin oluşumu detaylı olarak incelenmiştir. 
Bu çalışmanın ikinci kısmında ise boyutsuz değişkenlerin [Froude (F), Reynolds (R) ve Weber sayılarının (W)], dışardan herhangi bir çevri (sirkülasyon)  uygulanmamış kanal akımına yerleştirilmiş bir su alma ağzına ait kritik batıklık üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneyler göstermiştir ki, boyutsuz değişkenlerin belirli (limit) değerlerinden sonra kritik batıklık, söz konusu boyutsuz değişkenlerden bağımsız olup değişmemektedir. Boyutsuz değişkenlerin limit değerleri akım ve geometri koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Ayrıca genel akım ve geometri şartları (durgun su ortamı, kanal akımı, çevri uygulanmış akım, tam gelişmemiş kanal akımı, çoklu su alma ağızları v.b.)  içerisine yerleştirilmiş bir su alma ağzı için model ile prototip arasında benzeşim şartları araştırılmıştır. Su alma ağzına ait ortalama akım hızının, kritik küresel kuyu yüzeyindeki (KKKY) radyal hıza oranının sabit tutulması halinde, kritik batıklık açısından, akım ve geometri şartlarına bakılmaksızın oluşturulan herhangi bir modelin kullanılabileceği ve hava girişli çevrinti üzerinde Froude, Reynolds ve Weber sayılarından kaynaklanan toplam boyut (ölçek) etkilerinin model ve prototip için aynı olduğu gösterilmiştir. 
Çalışmanın üçüncü kısmında, akım ortamında ve durgun su ortamındaki bir su alma ağzının kritik batıklığı üzerinde akım sınırlarının sürtünme etkileri  incelenmiştir. Serbest yüzeye yakın batık sınır kısımlarının serbest yüzeyden uzak olanlara göre daha fazla sürtünme etkisine sahip oldukları gösterilmiştir. Bir akım sınırının hava girişli çevrinti üzerindeki sürtünme etkisi; akım sınırı ile serbest yüzeydeki çevrinti merkezi (su alma ağzı merkezi üzerinde) arasındaki mesafeye bağlıdır. 
Çalışmanın son kısmında, bir grup (çoklu) su alma ağzı içerisinde bulunan bir ağzın diğer bir ağza ait kritik batıklık üzerindeki etkisinin ihmal edilebileceği limit mesafeyi bulmak amacıyla, kanal akımıyla aynı doğrultu üzerinde ve aynı yükseklikte yerleştirilmiş ikili su alma ağzı ile deneyler yapılmıştır. Deneyler sonucunda elde edilen grafik yardımıyla bir su alma ağzının diğer su alma ağzına ait kritik batıklık üzerindeki etkisinin ihmal edilebileceği limit mesafe bulunabilmektedir.

Abstract:
In the first part of this study, considering the available studies, a short summary of the occurrences of the vortices entering the intake is given. A vortex basically originates from the boundary that has blockage effects on the intake flow. Occurrence of air-core vortex originated from the free-surface (air or gas boundary) is explained in detail since it is related to topic of this study.   
In the second part of this study, the effects of dimensionless parameters [Froude (F), Reynolds (R) and Weber (W) numbers]  on air-entraining vortices and the critical submergence of an intake located in no-circulation imposed cross-flow are investigated. Experiments have indicated that, the critical submergence becomes independent of dimensionless parameters beyond certain (limit) values of these dimensionless parameters. It is found that limit values of these dimensionless parameters depend on the flow and geometrical conditions. Furthermore similarity conditions between model and prototype are investigated for intakes located in general flow and geometrical conditions (still-water, cross-flow, circulation imposed flow, non-developed cross-flow, multiple intakes, etc.). It was shown that for intakes that have identical ratio of the intake velocity to the velocity at the critical spherical sink surface (CSSS); the critical submergence is identical regardless of the flow and geometrical conditions in which the intakes are located. Provided that the ratio of the intake velocity to the velocity at the CSSS is maintained identical; an arbitrary model can be used for the prediction of the critical submergence in a prototype, and the overall total scale effects due to Froude, Reynolds and Weber numbers on critical submergence of a pipe intake located in general flow and geometrical conditions are identical. 
In the third part of this study, the boundary friction effects of flow boundaries on air-entraining vortices at intakes located in both a cross-flow and still water are also examined. The boundary section close to the free surface has a much larger effect than of boundary section away from it. The frictional effect of a boundary section on an air-entraining vortex depends on the distance between the boundary and the vortex center at the free surface (above the intake center). 
In the final part of this study, experiments were conducted on dual (multiple) intakes of identical level located on the same line as the axis of the oncoming  cross-flow to determine the upper limiting distance between the intakes beyond which the effect of the intake on the critical submergence of the other intake is negligible. In practice, by means of the chart obtained from experimental results, one can determine the upper limiting value of the distance  beyond which the effect of the intake on the critical submergence of the other intake is negligible.