Tekil bitki elemanları etrafında yerel oyulma desenleri ve civarındaki akım kinematiği
Scour patterns around of single plants and the flow kinematics around them
Yazar: CAN HODOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ORAL YAĞCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Nehirlerde bulunan bitkiler sucul hayatın en önemli bileşenlerinden biri olmakla birlikte, hidrolik pürüzlülüğün de önemli bir nedenidir. Bu özellikleri sayesinde taşkın yataklarında var olan bitkiler bir yandan şev stabilitesini sağlarken diğer yandan da morfolojik ve ekolojik işlevleri ile sucul hayata katkıda bulunurlar. Gün geçtikçe önemi artan çevre bilinci bitkilerin taşkın yataklarında kullanımına yönelik çalışmalar yapılmasını sağlamıştır. Ancak yapılan bu çalışmalarda bitkilerin şeklinin akım ve akarsu boyunca sediment taşınımını nasıl etkilediği henüz yeterince tam olarak anlaşılamamıştır. Buna ilave olarak şev ve akarsuda oluşan adacıklarda yetişen bitki elemanlarının türbülansa ve oyulmaya nasıl etki ettiği de bilinmemektedir. Ayrıca bu bitkiler bir ölü alan yaratarak bitki türünün yayılmasını ve akarsu morfolojisinin değişimini desteklerler.
Bu çalışmada aynı türde bitki farklı şekillerde, kanal içerisinde konumlandırılarak, akım, türbülans ve oyulma karakteristiklerindeki değişiklikler gözlenmiştir. Bitkiye ek olarak silindir ve altıgen biçiminde yerleştirilmiş küçük silindirlerden oluşan bir yapı ile de deneyler yapılmış ve sonuçları bitkiler ile karşılaştırılmıştır. Deneyler 26 m uzunluğunda, 0.98 m genişliğinde ve 0.85 m derinliğinde olan akım kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanal tabanına katı madde konularak yapay bir yatak oluşturulmuş ve kullanılan gerçek bitki fideleri ile silindirler bu yatay yatakta konumlandırılmıştır. Deneylerde kullanılan ilk bitki sırasıyla, akıma batmamış ve dik bir biçimde, etrafı streç folyo ile sarılarak geçirimsiz bir biçimde ve eğik olmak üzere üç farklı biçimde konumlandırılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Aynı bitki türünde bir başka fide kesilip suya batmış bir şekilde ve sonrasında ise streç folyo ile sarılarak konumlandırılmıştır. Bitkilerin streç film ile kaplanmasının altında yatan gerekçe bitkinin kanopi kısmının geçirgenliğinin, problemin hidrodinamiğinde oynadığı rolün daha yakından anlaşılmasıdır. Bununla birlikte deneylerde ön deneyler sonucu belirlenen üç karakteristik debi değeri her bir bitki konfigürasyonuna uygulanmıştır. Deneylerin tamamı kararlı akım koşullarında gerçekleştirilmiştir. Hız verileri iki adet Doppler hızölçer ile ölçülmüş, oyulma verileri ise lazer tarayıcı ile elde edilmiştir. Analiz sırasında, yataktaki oyulma şekilleri ve yatak boyunca tabana yakın oluşan akım doğrultusundaki hız bileşenleri araştırılmıştır. Elde edilen oyulma şekillerinden oyulmaların ağırlık merkezleri elde edilmiş, oyulma ve yığılma miktarları enine, boyuna ve derinlemesine olmak üzere hesaplanmıştır. Bunlardan yola çıkarak bitkiler ve diğer yapı tipleri arasındaki farklar araştırılmıştır. Deneyler sonucunda bitkiler etrafında oluşan oyulma desenleri silindir durumuna göre belirgin şekilde farklıdır. Bu desenlerin bitki etrafında oluşan düzenli akım yapılarının bir sonucu olduğu
düşüncesinden yola çıkarak bitki etrafındaki düzenli yapılar her bir bitki durumu için detaylı bir şekilde yorumlanmıştır. Bitki etrafında oluşan akım ile silindir etrafındaki akımın temel farklılıklarından en önemlisi, bitki durumunda bitkinin memba tarafında oluşan düşey yönlü akımın silindir durumuna oranla çok daha düşük olması ve buna bağlı olarak atnalı çevrilerinin çok daha az gelişmesidir. Diğer bir önemli fark ise bitki durumunda kanopi altı jet akımının silindir durumunda var olmamasıdır. Buna ilave olarak bitki etrafında oluşan çevri kopmalarının büyüklüğü silindir durumuna göre oldukça küçüktür.

Abstract:
The bank and floodplain vegetation are not just one of the main resources of aquatic life, but also the reason for hydrolic smoothness. Plants which live in floodplain areas establish slope stability, help aquatic life with thier morphological and ecological services. With the growing importance of the environmental awereness, there are ongoing studies conducted to use the plants on the floodplain areas. However, the effect of vegetation on sediment transport along the river is not fully understood yet. Furthermore, how turbulance and scouring are affected by plants that are growing on slopes and in the island is still unknown as well.
On this study same type of plants positioned in channel with different variations for observing the differences in flows, turbulence and scouring characteristics. Other than the plants the same observations are also made with rigid cylinder, cylinders which are ordered as a hexagonal formation and compared with plants. The experiments are done in 26 m long, 0.98m width and 0.85 depths flow channel. Solid matters placed at the bottom of the channel to create an artificial bed and plants and tubes used in the experiments positioned in this horizontal bed. The first plant used in three different ways: emerged vertical position, covered with stretch wrap (impermeable), leaned. While another same type plant is first submerged and then covered with stretch wrap. The reason of wrapping plants is to understand the role of plant's canopy's permeability in problem's hydrodynamic. On the other hand, three different current flows are selected in pre-experiments, were used for every type of plant configuration. All of the experiments are done in steady flow conditions. The velocity data is measured by two acoustic Doppler velocitymeters and the scour data is obtained by the laser scanner. During the analysis, scour patterns at the bed and velocity components near the bed, through streamline are investigated. From obtained scour patterns, center of gravity of scouring areas were calculated and scour and deposition amount of transverse, longitudinal and depth was calculated. Respectively, differences between flow around the plants and flow around other obstacles of structures were investigated. As a result of experiments, scour patterns around obstacles were found significantly different. Based on the idea of scour patterns are resultant in the steady flows around plants, regular structures around plants are interpreted. The most important difference between flow around cylinder and plant is downflow at the upstream of plant is much smaller then cylinder and correspondingly horseshoe vortices are much weaker. Another important difference is the subcanopy flow of the plant does not form at the cylinder condition. In addition, the size of the separation around plants are weaker then the ones around cylinder.