Rijit cidarlı açık kanallarda sediment çökelmesiz koşul altında akış ve türbülans karakteristikleri üzerine deneysel çalışma
Experimental study on flow and turbulence characteristics under non-deposition condition in rigid boundary open channels
Yazar: İLAYDA KESKİN
Danışman: DOÇ. DR. BABAK VAHEDDOOST ; DOÇ. DR. MIR JAFAR SADEGH SAFARI
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Akış hızı = Flow velocity

Özet:
Drenaj kanalları, kanalizasyonlar ve sulama kanalları gibi rijit cidarlı kanallar planlanırken, sedimentlerin akış hidrolik özellikleri üzerindeki etkisi önemli bir konudur. Bu sistemlerdeki sediment partiküllerinin varlığı hem kullanılabilirlik hem de ekonomik açılardan problemler yaratabilmektedir. Ayrıca sediment varlığı kanalın hidrolik kapasitesini düşürerek sorunlar meydana getirebilir. Tüm bu sebeplerden dolayı, kanalizasyon ve drenaj kanal tasarımları yapılırken en güvenilir ve muhafazakâr yaklaşım olan çökelmesiz temiz yataklı koşul (ÇTY) çeşitli tasarım konseptleri arasından sıyrılarak öne çıkar. Bununla birlikte literatür incelendiğinde, çökelmesiz temiz yataklı koşul üzerine yapılan deneysel çalışmaların çoğu modelleme amacıyla akış ve sedimentin temel özelliklerine odaklanmıştır. Çalışmalar, yatak yükü ve partikül boyutunun, akış ve türbülans özellikleri üzerine olan etkisini göz ardı etmiştir. Bu sebeple, yapılan deneysel çalışmada, literatürde daha önce pek çalışılmamış olan yatak yükü ve sediment boyutunun akış ve türbülans karakteristikleri üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Çalışmada 12,5 m uzunluğunda 0,6 m genişliğinde ve 0,7 m derinliğinde dikdörtgen kesitli, pleksiglas cidarlı, alüminyum düz yataklı otomatik kontrol sistemine (OKS) sahip açık kanalda deneyler gerçekleştirilmiştir. Kanal yatağı eğimini, sediment deşarjını, akış deşarjını ve akış derinliğini değiştirmek ve ölçmek için OKS kullanılmıştır. Ultrasonik akış ölçerler ve sensörler sırasıyla deşarjı ve akış derinliğini ölçmek için kullanılmıştır. Deneyde temiz su durumu ile sedimentin varlığının akış özelliklerine etkisinin incelenebilmesi için üç farklı sediment partikül boyutu (D50:1,18 mm, 2,05 mm ve 3,34 mm) ve üç farklı yatak eğimi (%0,1, %0,3 ve %0,5) kullanılmıştır. Aynı hidrolik koşullar hem sedimentin varlığında hem de temiz su durumunda uygulanmıştır. Deney sırasında akış özelliklerini ve türbülans karakteristiklerini belirlemek için Vectrino Profiler cihazı kullanılmıştır. Bu çalışmanın yapılmasındaki temel motivasyon, çeşitli hidrolik durumlar altında partikül boyutundaki değişikliklerin neden olduğu akış ve türbülans özelliklerindeki farklılıkların belirlenmesidir. Çalışmada elde edilen sonuçlar; Vectrino profiler kullanılarak ÇTY koşulunda yapılan akış yönündeki hız ölçümlerinin temiz su durumu ile kıyaslandığında, yatak yükü olarak sediment varlığının akış yönündeki hızı azalttığını ve sediment partikül boyutu arttıkça azalmanın daha belirgin olduğunu göstermiştir. Türbülans yoğunlukları incelendiğinde, akıntı yönünde ve dikey yöndeki sonuçlar temiz su durumuna kıyasla yatak yükü varlığında artmıştır. Reynolds kayma gerilmesinin de yatak yükü varlığıyla arttığı elde edilmiştir. Bu iki durumdaki artışın sebebi sediment partiküllerinin yatak yükü içindeki hareketinin bir pürüzlülük kaynağı oluşturması ve pürüzlülüğün akış direncini arttırması ile açıklanabilir. Dikey türbülans yoğunluğu daha büyük sediment partikülleri için artmasına rağmen, Reynolds kayma gerilmesi verileri ek araştırma gerektiren önemli bir tutarsızlık göstermiştir. Sediment partikül boyutunun yanısıra partikül konsantrasyonun da incelenmesi açık kanal akışlarındaki partikül akış reaksiyonunu daha iyi anlamaya yardımcı olacaktır.

Abstract:
The impact of sediments on hydraulic properties of current is an important issue in planning rigid boundary channels such as drainage channels, sewer systems, and irrigation channels. The presence of sediment particles in these systems cause problems in terms of both operation and economics. For all these reasons, non-deposition with clean bed (NCB) condition, which is the most reliable and conservative approach for designing sewers and drainage channels, stands out among various design concepts. However, a review of the literature reveals that most of the experimental studies on NCB conditions have focused on the basic properties of flow and sediment for modeling purposes. Previous studies ignored the effect of bed load and particle size on the flow and turbulence characteristics. Therefore, this study investigates the effect of bed load and sediment size on the flow and turbulence characteristics, which has not been studied much in the literature. A set of experiments was carried out in an open channel having 12.5 m long, 0.6 m wide, and 0.7 m deep, with a rectangular cross-section, plexiglass walls, and aluminum bed with automatic control system (ACS). ACS was utilized to change and measure the channel bed slope, sediment discharge, flow discharge, and flow depth. Ultrasonic flow meters and sensors were then used to measure the discharge and flow depth. Three different sediment particle sizes (D50: 1.18 mm, 2.05 mm, and 3.34 mm) and bed slopes (0.1%, 0.3%, and 0.5%) were used in the experiment to investigate the effect of clean water condition and the presence of sediment on flow characteristics. The main motivation for this study was to determine the differences in flow and turbulence characteristics caused by changes in particle size under various hydraulic conditions. Results, showed that the presence of sediment as bed load reduces the velocity in the streamwise direction. The decrease is more significant as the sediment particle size increases. When turbulence intensities were analyzed, the results in the streamwise and vertical directions increased in the case of bed load compared to the clean water case. Reynolds shear stress also increases with the bed load presence. The reason for the increases is a source of roughness and it increases the flow resistance. Although the vertical turbulence intensity increased for larger sediment particles, Reynolds shear stress records showed a significant inconsistency that requires additional investigation. Investigating the sediment particle size as well as particle concentration will help to better understand the particle flow reaction in open channel flow.