Baraj dolusavak yapılarında akış karakteristiklerinin fiziksel ve sayısal analizi
Physical and numerical analysis of flow characteristics in dam spillway structures
Yazar: SELMAN OĞRAŞ
Danışman: PROF. DR. FEVZİ ÖNEN
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Hidrolik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Barajlar = Dams ; Deşarj = Discharge ; Enerji = Energy

Özet:
Su gücü (Hydropower) yapılarında su kaynaklarının gelişimi bakımından son 60 yılda özellikle son 30 yılda büyük ilerleme ve yenilikler ortaya çıkmış, buna paralel dünyada büyük hidroelektrik projeler inşa edilmiştir. Hidroelektrik güç üretilen büyük ve kompleks yapıların karakteristikleri başlıca; baraj tasarım yükü yüksekliği, büyük deşarj, birim genişlikteki deşarj kapasitesi ve karmaşık jeolojik koşullardır. Üretilen güç miktarı onlarca veya yüzlerce gigawatt kadar yüksek olabilen bu derece yüksek güç üreten potansiyel enerjiyi dağıtmak, sönümlemek baraj mühendisliğinin dikkat çeken çalışma alanlarındandır. Dolayısıyla barajların deşarj yapılarının hidrolik karakteristikleri ve ortaya çıkan enerjinin güvenli ve ekonomik olarak dağıtımının sağlanması hususu dikkate alındığında etkin bir proje tasarımı için yapılacak fiziksel modelleme, prototip deneyler ve sayısal modelleme sonuçlarının birlikte değerlendirilmesi gerekmektedir. Deşarj yapılarının performansını değerlendirmek için kullanılan fiziksel model yöntemi geçmişte ve günümüzde başarılı olmasına rağmen HAD (Hesaplamalı Akışkan Dinamiği) yönteminin de fiziksel modellemeye göre çeşitli avantajlar sunduğu bilindiğinden günümüzde yapılacak hidrolik alanındaki mühendislik tasarımları artık deneysel çalışmalar ile birlikte HAD yazılımının kullanılmasını gerektirmektedir. Bu tür programların birçok hidrolik yapıların projelendirilmesinde kullanılması, planlanmada daha az hata oluşmasını, daha kısa zamanda ve daha ekonomik olarak yapılmasını sağlayacaktır. Bu çalışmada fiziksel model çalışmalarıyla belirlenen Ilısu Barajı dolusavak yapısındaki hidrolik karakteristikler ve enerji kırıcı yapıların etkinliği Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmanın sayısal modellemesinde özellikle açık kanal akımı, sediment taşınımı, oyulma gibi problemlerin çözümünde başarılı bir yazılım olan Flow3D kullanılmış olup sayısal hesaplamalardan elde edilen su yüzü, basınç değerleri ve hız profileri, fiziksel model deney ölçümleriyle karşılaştırılarak ilgili sayısal analiz yönteminin performansı değerlendirilmiştir. Fiziksel ve sayısal analizler arasındaki karşılaştırmada, hidrolik karakteristiklere etki eden en güçlü husus hava-su ilişkisi, yanı sıra ölçek konusu da akış üzerinde etkili olan faktörlerdendir.  Bu nedenle sayısal analiz programında hava sürükleme (air entrainment) modeli çalıştırılarak hava sürüklenmesinin akış üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Ayrıca 1982 yılı 1/100 ölçekli fiziksel modelin yanı sıra aynı yıl gerçekleştirilen ve sadece dolusavak boşaltım kanalındaki karakteristikleri konu alan 1/30 ölçekli fiziksel model sonuçları da aynı ölçekli sayısal model ve sair diğer ölçekli sayısal model sonuçlarına eklenerek ölçek etkisi daha detaylı irdelenmiştir. Yine ilgi çalışmamız kapsamında mevcut dolusavak yapısının sonunda enerji kırınımı hususunda etkili yapılardan olan çevirmeli sıçratma eşiğinin farklı deflektör açısı ve yarıçapları dikkate alınarak 15 farklı eşik tasarlanmış olup bu tasarımların da sayısal analizi yapılarak enerji kırınımı açısından performans değerlendirilmesi yapılmıştır.

Abstract:
In the last 60 years, especially in the last 30 years, great progress and innovations have emerged in the hydroelectric sector in terms of the development of water resources, and in parallel, large hydroelectric projects have been built in the world. Characteristics of large and complex structures that generate hydroelectric power are mainly; high head, large discharge, per unit discharge and complex geological conditions. Dissipating and absorbing such high power generating potential energy, which can be as high as tens or hundreds of gigawatts, is of course one of the most difficult issues of dam engineering. Therefore, considering the hydraulic characteristics of the discharge structures of the dams and the safe and economical distribution of the resulting energy, physical modeling, prototype experiments and numerical modeling results should be evaluated together for an effective project design. Although the physical model method used to evaluate the performance of discharge structures has been successful in the past and today, it is known that the CFD method offers various advantages over physical modeling. Engineering designs in the field of hydraulics to be made today require the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) software together with experimental studies. Because the use of such programs in the design of many hydraulic structures will ensure that there are fewer mistakes in planning, and that it will be done in a shorter time and more economically. In this study, the hydraulic characteristics of the discharge structures determined by physical model studies and the efficiency of the energy-absorbing structures were investigated numerically by the CFD method. In the numerical modeling of the study, Flow3D, a successful software, was used to solve problems such as open channel flow, sediment transport, and scour, and water surface pressure values and velocity profiles obtained from numerical calculations were evaluated. In this comparison, the performance of the numerical analysis method was evaluated using physical model test measurements. In the comparison between physical and numerical analysis, the most strong factor affecting the hydraulic characteristics is the air-water relationship, as well as the scale issue is one of the factors affecting the flow. For this reason, the effect of air entrainment on the flow was tried to be determined by running the air entrainment model in the numerical analysis program. In addition to the 1/100 scale physical model of 1982, the results of the 1/30 scale physical model, which was carried out in the same year and only focus on the characteristics of the spillway discharge channel, were added to the results of the same scaled numerical model and other scaled numerical models, and the scale effect was examined in more detail. Again, within the scope of our interest study, 15 different flip buckets have been designed by considering the different deflector angles and Radius, which is one of the effective structures in terms of energy dissipation at the end of the existing spillway structure, and these designs were made and a performance evaluation was made in terms of spillway structure and energy dissipation.