Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi

DEMİREL, Ender

Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi

Yürütücü

Ender DEMİREL (ESKİŞEHİR OSMANGAZİ Üniversitesi, MÜHENDİSLİK MİMARLIK Fakültesi, İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ Bölümü, Eskişehir, Türkiye)

1 0

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 0 Proje No: 216M521 Proje Bitiş Tarihi: 01.01.2019 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 26-11-2020

Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi

Öz:

Bu Başlangıç Ar-Ge projesinde batık kapakların etrafında oluşan voteks yapıları deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Kapak dudağına ve mansabına yerleştirilen 1 kHz veri toplama kapasitesine sahip basınç sensörleri ile kapak üzerinde oluşan hidrodinamik basınçlar eş zamanlı olarak ölçülerek farklı Froude sayısı, batıklık oranı ve kapak açıklığı için basınçların zaman ve konumdaki değişimleri incelenmiştir. Batıklık oranı S 0.6'dan büyük olduğu zaman anlık kaldırma basınçlarının batıklık oranından bağımsız olduğu tespit edilmiştir. Serbest hidrolik sıçrama için yapılan deneysel çalışmalarda kaldırma basınçlarının güç spektrum eğrilerinde önemli bir enerji seviyesi görülmezken, batık akım koşullarında 19-32 Hz aralığında büyük bir enerji seviyesi gözlenmiş, kapak üzerindeki bu frekans aralığında oluşabilecek titreşimlerin vorteks kenetlenmesine neden olabileceği değerlendirilmiştir. Farklı istasyonlarda Akustik Doppler Hızölçer (ADH) ile hız ölçümleri yapılarak kapak mansabındaki geri dönen akıma ait hız ve türbülans gerilmelerinin derinlikle değişimleri elde edilmiş, kapak mansabında ters yönde dönen vorteks çifti gözlenmiştir. Kapak mansabında oluşan geri dönen akımın ana akımla etkileşimi sonucu oluşan bu vorteks çiftinin kapak üzerinde hidrodinamik etkiler oluşturduğu tespit edilmiştir. Açık kaynak kodlu OpenFOAM kütüphaneleri üzerinden geliştirilen sayısal model kullanılarak batık kapak akımının sayısal benzetimi gerçekleştirilmiştir. Kapak etrafında oluşan zamanla değişen büyük türbülans çalkantılarını yakalayabilmek için Large Eddy Simulation (LES) türbülans yaklaşımı kullanılmıştır. Sayısal sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırıldığında sayısal modelin kapak mansabındaki karmaşık çevrintili akışı doğru ve hassas olarak hesaplayabildiği görülmüştür. Laboratuvar ölçeğinde doğrulanan sayısal model kullanılarak saha koşullarındaki batık kapak akımlarının sayısal benzetimleri gerçekleştirildiğinde kapak etrafındaki vortekslerin kapak üzerinde önemli hidrodinamik etkiler oluşturulduğu tespit edilmiştir. Kapak etrafında oluşan vorteks etkilerini azaltabilmek için 8 farklı vorteks kırıcı tasarlanarak vorteks sönümleme performansları incelenmiştir. Gözenekli yapıdaki vorteks kırıcılar üzerinde oluşan türbülanslı akış benzetimi için Darcy-Forchheimer modeli kullanılmıştır. Farklı porozitelere sahip vorteks kırıcılar üzerinde LES benzetimleri gerçekleştirilerek vorteks kırma performansları değerlendirilmiştir. Kapak mansabında yerleştirilen vorteks kırıcı aparatın mansaptaki vorteks etkilerini %27 oranında azaltırken kapak dudağındaki hidrodinamik basınç kuvvetlerini de yaklaşık %9 azalttığı görülmüştür.

Anahtar Kelime: serbest yüzey les hidrodinamik kuvvet vorteks kırıcı batık hidrolik sıçrama batık kapak

Erişim Türü: Erişime Açık

Aköz, M.S., Kırkgöz, M.S., Öner, A.A. 2009. “Experimental and numerical modeling of a sluice gate flow”, Journal of Hydraulic Research, 47(2), 167-176.
Pressure Measurement on the Gate Subjected to Submerged Hydraulic Jump (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum)
American Water Works Association, 2008. “Cast-Iron Slide Gates”, (AWWA C560).
Billeter, P. 2004. “Properties of single shear layer instabilities and vortex-induced excitation mechanisms of thick plates”, Journal of Fluids and Structures, 19, 335-348.
Cassan, L., Belaud, G. 2012. “Experimental and numerical investigation of flow under sluice gates”, Journal of Hydraulic Engineering, 138(4), 367-373.
Chang, K., Constantinescu, G. 2015. " Numerical investigation of flow and turbulence structure through and around a circular array of rigid cylinders", Journal of Fluid Mechanics, 776, 161-199.
Chow, V. T. 1959. Open Channel Hydraulics. New York: McGraw-Hill Book Co., Inc.
Dai, H.L., Wang, L., Quian, Q., Ni, Q. 2014. “Vortex-induced vibrations of pipes conveying pulsating fluid”, Ocean Engineering, 77, 12-22.
Demirel, E., Aydin, I. 2010. “Global volume conservation in unsteady free surface flows with energy absorbing far-end boundaries”, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 64(6), 689-708.
Demirel, E. 2015. “Numerical simulation of earthquake excited dam-reservoirs with irregular geometries using an immersed boundary method”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering,73,80-90.
Demirel. E. 2015. “Measured and simulated flow downstream of the submerged sluice gate”, Water and Environment Journal”, 70, 90-100.
Demirel, E., Aydin, I. 2016. “Numerical simulation and formulation of wave run-up on dam face due to ground oscillations using major earthquake acceleration records”, ASCE Journal of Engineering Mechanics, 142(6), 1-8.
Demirel, E., Celik, A.O. 2015. “Numerical simulation of vertical structures downstream of a submerged sluice gate using OpenFOAM”, Advances in Applied and Computational Mechanics Izmir-Turkey, Cilt (Sayı), Sayfa Numaraları
Demirel, E., Aral, M.M. 2016. “Unified analysis of multi-chambered contact tanks and mixing efficiency based on vorticity field. Part I: Hydrodynamic analysis”, Water, 8(11), 495.
Demirel, E., Aral, M.M. 2016. “Unified analysis of multi-chambered contact tanks and mixing efficiency based on vorticity field. Part II: Transport analysis”, Water, 8(11), 537
Dey, S., Raikar, R.V. 2007. “Characteristics of horseshoe vortex in developing scour holes at piers”, Journal of Hydraulic Engineering, 133, 399-413.
Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1975.“Small Hydraulic Structures”. German Institute for Standardization , 1976. “Hydraulic Steel Structures; Recommendations for Design, Construction and Erection”, (DIN: 19705-1976).
Germano, M., Piomelli, U., Moin, P., and Cabot, W.H. 1991. “A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model.”, Phys. Fluids A , 3(7), 1760-1765.
Gogus, M., Koken, M., Baykara, A. 2016. “Formation if air-entraining vortices at horizontal intakes without approach flow induced calculation”, Journal of Hydrodynamics, 28, 102- 113.
Gumus, V., Simsek, O., Soydan, N.G., Akoz, M.S., Kirkgoz, M.S. 2016. “Numerical Modeling of submerged Hydraulic Jump from a Sluice Gate”, J. Irrig. Drain. Eng., 142. 1-11.
Habibzadeh, A., Loewen, M.R., Rajaratnam, N.2016. “Turbulence measurements in submerged hydraulic jumps with baffle blocks”, Canadian Journal of Civil Engineering, 8(11), 553-561.
Dey, S., Sarkar, A. 2008. “Characteristics of Turbulent Flow in Submerged Jumps on rough beds”, Journal of Engineering Mechanics, 137(1), 49-59.
Gabbai, R.D., Benaroya, H. 2005. “An overview of modeling and experiments of vortex- induced vibration of circular cylinders”, Journal of Sound and Vibration, 282, 575-616.
Habibzadeh, A., Loewen, M.R., Rajaratnam, N. 2012. “Performance of baffle blocks in submerged hydraulic jump”, Journal of Hydraulic Engineering, 138(10), 902-938.
Hirt, C.W., Nichols, B.D. 1981. “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”. Journal of Computational Physics, 39, 201-225.
Javan, M., Eghbalzadeh, A. 2013. “2D Numerical simulation of submerged hydraulic jump”, Applied Mathematical Modeling, 37, 6661-6669.
Kirkil, G., Constantinescu, G. 2010. “Flow and turbulence structure around an in-stream rectangular cylinder with scour hole”, Water Resources Research, 46, 1-20.
Koken, M., Constantinescu, G. 2011. “Flow and turbulence structure around a spur dike in a channel with a large scour hole”, Water Resources Research, 47, 1-19.
Koken, M., Constantinescu, G. 2014. “Flow and turbulence structure around abutments with sloped side walls”, Journal of Hydraulic Engineering, 147, 1-13.
Kücükali, S., Çokgör, S. 2009. “Energy concept for predicting hydraulic jump aeration efficiency”, Journal of Environmental Engineering, 135(2), 105-107.
Lazano, D., Mateos, L., Merkley, G.P., Clemmens, A.J. 2009. “Field calibration of submerged sluice gates in irrigation channels”, Journal of Hydraulic Engineering, 135(6), 763-772.
Leutheusser, H.J., Fan, J.J. 2001. “Backward flow velocities of submerged hydraulic jump”, Journal of Hydraulic Engineering, 127(6), 514-517.
Liu, M., Rajaratnam, N., Zhu, D. 2004. “Turbulence structure of hydraulic jumps of low Froude Numbers”, Journal of Hydraulic Engineering, 130(6), 511-520.
Long, D., Steffler, P.M., Rajaratnam, N. 1990. “LDA study of flow structure in submerged hydraulic jump”, Journal of Hydraulic Research, 28( 4), 437-460.
Long, D., Steffler, P.M., Rajaratnam, N. 1991. “A numerical study of submerged hydraulic jumps”, Journal of Hydraulic Research, 29(3), 293-308.
Ma, P., Hou, Y., Prinos, P. 2001. “Numerical calculation of submerged hydraulic jumps”, Journal of Hydraulic Research, 39(5), 493-503.
McCorquodale, J. A. 1986, Sayfa 120-173. Hydraulic jumps and internal flows, Encyclopedia of Fluid Mechanics, Editör: N . P.Cheremisinoff, ed., Houstun: Gulf Publishing.
Peterka, A. J. 1958. Hydraulic design of stilling basins and energy dissipators (25), Denver, USA: Engineering Monograph, U.S. Bureau of Reclamation. Piomelli, U., Liu, J. 1995. “Large-eddy simulation of rotating channel using a localized dynamic model”, Phys. Fluids, 7(4), 839-848.
Rajaratnam, N. 1967. “Hydraulic jumps”, Adv.Hydrosci., 4, 197-280.
Roth, A., Hager, W.H. 1999. “Underflow of standard sluice gate”, Experiments in Fluids, 27, 339-350.
Sarpkaya, T. 2004. “A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations”, Journal of Fluid and Structures, 19, 389-447.
Shammaa, Y., Zhu, D.Z., Rajaratnam, N. 2005. “Flow upstream of orifices and sluice gates”, Journal of Hydraulic Engineering, 131(2), 127-133.
Tastan, K., Yildirim, N. 2010. "Effects of dimensionless parameters on air-entraining vortices”, Journal of Hydraulic Reseacrh, 48, 57-64.
Tokyay, T., Constantinescu, G. 2006. “Validation of a Large Eddy Simulation model to simulate flow in pump intakes of realistic geometry”, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 132, 1302-1315.
Tokyay, N.D., Sakarya, A.B.-A, Eski, E. 2007. “Numerical simulation of minimum B-jumps at abrupt drops”, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 56, 1605-1623.
Tolentio, F.O., Gutierrez, F.G., Mendez, R.R. 2014. “Vortex-induced vibration of a bottom fixed flexible circular beam”, Ocean Engineering, 88, 463-471.
Williamson, C.H.K., Govardhan, R. 2008. “A brief review of recent results in vortex-induced vibrations”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96, 713-735.
Zare, H.K., Baddour, R.E. 2007. “Three-dimensional study of spatial hydraulic jump”, Canadian Journal of Civil Engineering, 34(9), 1140-1148.
Zhao, M., Cheng, L., An, H., Lu, Lin. 2014. “Three-dimensional numerical simulation of vortex- induced vibration of an elastically mounted rigid circular cylinder in steady current”, Journal of Fluid and Structures, Article in Press.

APA	DEMİREL E (2019). Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. , 1 - 0.
Chicago	DEMİREL Ender Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. (2019): 1 - 0.
MLA	DEMİREL Ender Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. , 2019, ss.1 - 0.
AMA	DEMİREL E Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 0.
Vancouver	DEMİREL E Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 0.
IEEE	DEMİREL E "Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi." , ss.1 - 0, 2019.
ISNAD	DEMİREL, Ender. "Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi". (2019), 1-0.

APA	DEMİREL E (2019). Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. , 1 - 0.
Chicago	DEMİREL Ender Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. (2019): 1 - 0.
MLA	DEMİREL Ender Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. , 2019, ss.1 - 0.
AMA	DEMİREL E Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 0.
Vancouver	DEMİREL E Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 0.
IEEE	DEMİREL E "Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi." , ss.1 - 0, 2019.
ISNAD	DEMİREL, Ender. "Batık Kapakların Mansabındaki Vortekslerden Dolayı Oluşan Hidrodinamik Etkilerin Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi: Vorteks Kırıcı Aparatların Geliştirilmesi". (2019), 1-0.