Ağız giriş şeklinin su alma ağızlarının membasındaki hız dağılımına etkisi
Effect of intake geometry on the velocity distribution upstream of intakes
Yazar: GÜLTAZE YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. KEREM TAŞTAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Rezervuar ve denizler gibi durgun su ortamlarından veya nehirler ve kanallar gibi akım ortamlarından su almak için kullanılan yapılara su alma yapıları denilmektedir. Küçük ölçekli su alma yapıları genellikle dairesel en kesite sahip boru tipindedir. Su alma yapılarının tasarımında dikkate alınması gereken iki önemli konu vardır. Bunlar, su alma ağızlarının üzerinde su yüzeyinde meydana gelen hava çekirdekli çevrintiler yoluyla ağza hava girişi ve ağızlara taban veya askıdaki sedimentin sürüklenmesidir. Her iki olay da su alma yapılarının verimli çalışmasını engellemektedir. Bu olguları araştırmak için su alma yapılarının yakınlarındaki hız dağılımlarını bilmek gerekir. Bu çalışmada, ağız geometrisinin ölü-son duvarına sahip bir kanaldan su alan ağızların membasındaki hız dağılımları üzerindeki etkisi hem teorik hem de sayısal olarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Teorik analizde, su alma yapılarının yakınlarındaki hız dağılımını bulmak için önceki çalışmalarda da kullanılan potansiyel akım çözümü kullanılmıştır. Sayısal araştırma için, hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli önce dairesel kesitli su alma ağzına ait mevcut deneysel verilerle kalibre edilmiş ve daha sonra gerek akım sınırlarının etkisi olmadığı gerekse kanal tabanı ve yan duvarı etkilerinin olduğu durumlara ait analizler farklı ağız geometrileri (enin yüksekliğe oranı 4, 2, 1/4, 1/2 olan dikdörtgenler, kare, 45⁰ döndürülmüş kare, eşkenar üçgen, 180⁰ döndürülmüş eşkenar üçgen, eşkenar dörtgen ile 90⁰ döndürülmüş eşkenar dörtgen) için gerçekleştirilmiştir. Teorik ve sayısal sonuçlar, ağız geometrisinin ağızların çevresindeki hız dağılımı üzerindeki etkisinin büyük olduğunu, ancak ağızdan olan mesafe arttıkça bu etkinin ortadan kalktığını göstermiştir. Büyük en/yükseklik oranlarına sahip dikdörtgensel ağızlar için, eş-hız eğrileri dairesel ağzın sonuçlarından farklı hale gelirken, kare, eşkenar dörtgen ve üçgen ağızların davranışları dairesel ağza benzemiştir. Ayrıca, akım sınırı etkilerinin eş-hız eğrilerinin şeklini bozduğu ve sınır etkisi olmayan duruma kıyasla sınırlardan uzak bölgede daha büyük hızlar oluşturduğu da gösterilmiştir. Ayrıca, sayısal ve teorik sonuçlar arasındaki uyum tatmin edici bulunmuştur.

Abstract:
Structures used to receive water from stagnant water environments such as reservoirs and seas, or the flow environments such as rivers and canals are called intake structures. Small-scale intake structures are generally pipes having a circular cross-section. There are two important issues to be considered in the design of intake structures. These are air entrainment to the intake through free surface air-core vortices occurring above the intakes, and entrainment of bed or suspended sediment to intakes. Both events prevent the efficient operation of the intake structures. To investigate these phenomena, it is necessary to know the velocity distributions near the intake structures. In this study, the effect of intake geometry on the velocity distributions upstream of intakes receiving water from a dead-end channel was compared both theoretically and numerically. In theoretical analysis, the available potential flow solution was used to find the velocity distribution in the vicinity of the intake structures. For numerical investigation, the computational fluid dynamics model was first calibrated with available experimental data related to circular cross-section pipe intake, and then the analyses of various intake types (rectangles with a width to height ratio of 4, 2, 1/4, 1/2, square, 45⁰ rotated square, equilateral triangle, 180⁰ rotated equilateral triangle, rhombus and 90⁰ rotated rhombus) were performed with and without flow boundary effects due to channel bottom and sidewalls. Theoretical and CFD results showed that the effect of the intake geometry on the velocity distribution in the vicinity of the intakes is large, but this effect disappears as the distance from the intake increases. For rectangular intakes with high width/height ratios, iso-velocity contours became different than that of the pipe intake while the behaviors of the square, rhombus, and triangular intakes were similar to the pipe intake. It was also shown that the flow boundary effects spoil the shape of the iso-velocity contours and generate larger velocities in the region away from the boundaries compared to the case with no boundary effects. Moreover, the agreement between numerical and theoretical results was found to be satisfactory.