Farklı akım durumlarında köprülerde meydana gelen yerel oyulmaların sayısal modelle simülasyonu
Numerical modelling of scouring at bridges under different flow conditions
Yazar: ZÜLFİKAR ERKAY KEMALOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MÜSTEYDE BADUNA KOÇYİĞİT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, farklı akım koşullarında çeşitli uzunlukta köprü yan ayaklarının etrafında yerel ve ayağı olmayan köprü tabliyesi altında meydana gelen daralma oyulmalarının Flow-3D modeli kullanılarak üç boyutlu sayısal benzeşimi yapılmıştır. Çalışmada ilk önce literatürden elde edilen deney verileriyle sayısal modelin çözüm ağı gözü büyüklüğü ile sediment modeli parametre değerleri kalibre edilmiş ve modelde kullanılacak türbülans modeline karar verilmiştir. Daha sonra farklı deney setleri kullanılarak kalibre edilmiş sayısal modelin sonuçlarının doğruluğu test edilmiştir. Oyulma çukuru derinliğinin belirlenmesinde karışım katsayısı, yatak yükü katsayısı, içsel sürtünme açısı, maksimum sıkıştırma oranı ve türbülans karışım uzunluğu değerlerinin etkisinin çok az olduğu, düşük kritik Shields değerleri ile yüksek yatak pürüzlülüğü/medyan dane çapı oranının oyulma çukuru derinliği arttırdığı görülmüştür. Dört farklı çözüm ağı gözü boyutu ile yapılan hassasiyet analizleri sonucunda oyulma derinliğinin çözüm ağı gözü aralığına bağlı olduğu ve sediment dane çapının 10 katından küçük olan çözüm ağı gözü aralığı kullanılmasının uygun olmadığı belirlenmiştir. Modelde kullanılacak türbülans modeline karar verilirken, Large-Eddy Simulation (LES) türbülans modelinin daha küçük, Renormalized Group (RNG) türbülans modelinin ise daha büyük oyulma çukuru derinlikleri verdiği ve LES modeli analiz süresinin RNG modeline göre daha uzun olduğu görülmüştür. Daha  sonra iki farklı uzunluktaki kenar ayak etrafında ve ayağı olmayan köprü tabliyesi altında basınçlı ve savak tipi akım şartlarında meydana gelen oyulma çukurunun kalibre edilmiş model kullanılarak benzeşimi yapılmış ve deney verileriyle model sonuçları karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda farklı akım koşullarında meydana gelen oyulma çukuruna ait deney verileriyle kalibre edilmiş model sonuçlarının uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, three dimensional numerical modelling of local scour around abutments with various lengths and contraction scour beneath a bridge deck without a pier was performed by using Flow-3D under different flow conditions. At first, experimental data from literature was used to calibrate the computational grid size and the parameters of sediment model and determine the turbulence model to be employed in the simulations. Then, the predictions of the calibrated numerical model were verified by different sets of data. It was noted that entrainment coefficient, bed load coefficient, angle of repose, maximum packing fraction and turbulence mixing length had an insignificant effect in prediction of maximum scour hole depth, while smaller values of critical Shields and higher ratios of Nikuradse bed surface roughness / local median grain diameter increased the maximum scour hole depth. Results of mesh size sensivity analysis conducted by using four different mesh sizes showed that the maximum scour hole depth depends on the mesh size and it is not appropriate to use mesh sizes smaller than ten times of the sediment mean grain size for numerical modelling. To decide the turbulence model to be employed in the model simulations showed that LES turbulence model underpredicted the maximum scour hole depth while the RNG model overestimated and computational time of LES model was longer than RNG model. Then, calibrated 3-D model was employed to simulate local scour around abutment with two different lengths under free surface flow condition and scouring beneath a bridge deck without a pier under pressurized and weir flow conditions. Furthermore, the model predictions were compared with experimental data. The results of the study showed that there was a good agreement between the calibrated model predictions of the maximum scour depth and the experimental data under different flow conditions.