Self-cleansing drainage system design by incipient motion and incipient deposition-based models
Hareketin ve çökelmenin başlangıcı esaslı kendiliğinden temizlenen drenaj sistemi tasarım modelleri
- Tez No: 438150
- Danışmanlar: PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 272
Özet
Katı madde çökelmesi kanalizasyon, sulama kanalları, yağmur suyu drenaj kanalları gibi su ile birlikte istenmediği halde katı madde taşıyan rijit cidarlı kanalların tasarımı için önemlidir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketi, ayrıca akarsulardaki kirlilik problemi nedeniyle önemli bir araştırma konusudur. Kanalizasyonlardaki katı maddenin varlığı, kirliliğin yanı sıra akımda katı madde birikmesi ve katı maddeye bağlı tıkanma gibi problemlere de neden olmaktadır. Akım ortamında bulunan katı maddenin çökelmesi kanalların hidrolik kapasitesini düşürür. Diğer taraftan kanalın temizlenmesi için gerekli insan gücü ve enerji için ek maliyet doğar. Kanalın enkesitinin değişmesi ve katı madde çökelmesi nedeni ile meydana gelen kirlilik diğer pek çok probleme de neden olabilir. Rijit cidarlı kanallarda çökelmenin incelenmesi tüm bu nedenlerle önemlidir. Katı madde taşınımı karmaşık bir süreçtir. Askıdaki katı madde taneleri akımda yeterli hız olduğu takdirde askıdaki hareketine devam etmektedir. Akım hızının yeterli olmadığı durumda kanalda katı madde çökelmesi başlayacaktır. Kanallarda katı madde çökelmesinin sürekli olarak devam etmesi, kanalın taşıma kapasitesini önemli ölçüde azaltmaktadır. Kanalizasyon ve sulama kanalı gibi rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesi teknik ve ekonomik bir sorundur. Bu sorunu en aza indirmek için pahalı koruma önlemleri alınmaktadır. Kentsel havzalarda bulunan drenaj kanallarında katı madde sıklıkla birikmekte, bunun sonucunda kanalların çalışma performansı düşmektedir. Drenaj sistemlerinde pratikte en çok karşılaşılan problem aşırı katı madde birikmesi nedeniyle meydana gelen tıkanmalardır. Kanallara katı madde taşıyan en önemli kaynaklar, yol kaplama malzemeleri ile inşaat alanı artıklarıdır. Katı madde girişi havza özelliklerine ve kanal türüne göre değişmektedir. Bu problemlerin azaltılması veya en aza indirilmesine hizmet etmek üzere deneysel veri esaslı model geliştirilmesi bu çalışmanın konusunu oluşturmaktadır. Rijit cidarlı kanallarda bugüne kadar yapılan araştırmalar genel olarak kanal içinde akım ortamında durgun halde bulunan katı maddenin harekete başlamasına yönelik modellerin geliştirilmesi şeklinde olmuş, akım ortamında hareket halindeki katı maddenin çökelme başlangıç noktası odaklı az sayıda çalışma yapılmıştır. Bu nedenle, rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesinin başlangıç noktası ile ilgili çalışmalara hala ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, rijit cidarlı kanallarda katı madde çökelmesinin ve hareketinin başlangıç noktaları incelenmiştir. Laboratuvarda gerçekleştirilen fiziksel deneylere dayanan projede rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı problemi incelenmiş, akım ortamında hareket halinde bulunan katı maddenin çökelmesi ve hareketsiz halde duran çökelmiş durumdaki katı maddenin harekete başlaması ile ilgili ölçüm ve gözlemler yapılarak probleme özgü deneysel veri toplanmıştır. Literatürde kanallarda katı madde hareketi analizi için akımın kritik kayma gerilmesi ve kritik hızına dayanan iki temel yöntem bulunmaktadır. Katı madde taşınımı ile ilgili birçok çalışmada bu yöntemlerden herhangi biri kullanılmaktadır. Bu projede katı madde taşınımı için her iki yöntem kullanılarak analiz yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında laboratuvar deneyleri sonuçları kullanılarak rijit cidarlı kanallarda kritik hız ve kritik kayma gerilmesi yöntemlerine göre katı madde hareketinin ve çökelmesinin başlangıç noktalarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu sayede çökelmenin başlangıcı durumunda katı madde taşınımı modellerinin elde edilmesi mümkündür. Aynı zamanda hareketli ve rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı, çökelmenin başlangıcı ve hareketin başlangıcı mekanizmaları arasındaki fark ortaya konabilir. Geliştirilen modellerin yağmur suyu drenaj ve kanalizasyon sistemlerinde kanalların kendiliğinden temizlenmesi amacıyla kullanılması beklenmektedir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımı modellerinin ortaya konması bu çalışmanın hedefleri arasında yer almaktadır. Katı madde taşınımı modelleri için çok sayıda laboratuvar deneyinin yapılması, bu amaçla farklı enkesit, katı madde çapı, eğim ve akım koşullarının denenmesi gereklidir. Bunun için farklı geometrik enkesitlere sahip kanallarda farklı katı maddeler için farklı eğimlerde laboratuvarda fiziksel deneyler gerçekleştirilmektedir. Kritik hız veya kayma gerilmesi yöntemlerini esas alarak kendi kendini temizleyen kanallar hareketin başlangıç hızı ve kayma gerilmesine dayanan modellere göre tasarlanabilir. Düşük akım hızlarında kanalın yatağında bulunan katı madde hareketsiz kalmaktadır. Akım hızının giderek artması ile hareketin başlangıç koşuluna varılır. Akım ortamında katı madde hareketi çoğunlukla katı madde parçacıklarının harekete başlama noktasının belirlenmesini hedeflemiştir. Bu nedenle akım ortamında hareket halinde bulunan katı madde parçacıklarının çökelme başlangıç noktası ile ilgili literatürde çok az veri bulunmaktadır. Dolayısıyla farklı kanal enkesitlerinde çökelmenin başlangıç noktası için yeni veriler elde edilmesi gereklidir. Ayrıca, literatüre göre çökelme ve hareket başlangıç noktalarını aynı anda ele alan bir araştırmaya rastlanmamıştır. Bu iki başlangıç noktasının aynı laboratuvar koşulları altında incelenmesi çökelmenin ve hareketin başlangıç noktaları arasındaki farkın ortaya konması açısından önemlidir. Rijit cidarlı kanallarda katı madde taşınımına ait çökelmesiz durum, çökelmenin başlangıcı, hareketsiz durum ve hareketin başlangıcını bir arada kapsayan bir çalışmanın yapılması önemlidir. Deneyler farklı kanal enkesitleri için yapılmış, böylece katı madde taşınımına kanal enkesitinin etkisi ortaya konmuştur. Laboratuvar deneylerinden elde edilen veriler kullanılarak kanalın kendiğilinden temizlenmesi için kriterler belirlenmiştir. Katı madde taşınımında, kanal enkesit şekli önemli bir faktördür. Pratikte çoğunlukla kullanılan daire ve dikdörtgen dışındaki kalan kanal enkesitlerinde katı madde taşınımı hemen hemen hiç incelenmemiştir. Dolayısıyla bu enkesitler ile ilgili belirsizlikler söz konusudur. Bu nedenle, bu araştırmada, farklı enkesitler kullanılarak hareketin başlangıç noktası, çökelmenin başlangıç noktası ve katı madde taşınımı modelleri ile ilgili incelemeler yapılmıştır. Deneylerde, katı madde hareket döngüsünü esas alarak katı maddenin dört farklı hareket durumu beş farklı enkesiti olana trapez, dikdörtgen, daire, U-şeklinde ve tabanı V-şeklinde olan kanallarda ve dört farklı çaptaki katı madde ve dokuz farklı kanal eğimi için gözlem ve ölçümler yapılmıştır. Bunun için laboratuvarda toplam 180 deney ve 2609 gözlem yapılmıştır. Bu deneylerde, çökelmenin ve hareketin başlangıcının akım koşulları kaydedilerek sayısal veriler toplanmıştır. Çökelmenin başlangıcına ait değerlendirmeler çökelmenin gözlendiği deney verilerini esas almaktadır. Benzer şekilde hareketin başlangıcı ile ilgili sonuç ve çıkarımlar da hareketin başlangıcının gözlendiği akım koşullarına dayanmaktadır. Katı madde hareketi, kayma gerilmesi veya hız yaklaşımları kullanılarak ele alınmıştır. Kayma gerilmesi yaklaşımında Shields ve Yalın yöntemleri, hız yaklaşımında ise Yang ve Novak ve Nalluri yöntemleri kullanılmıştır. Rijit cidarlı kanallar için bu çalışmada geliştirilen hareketin başlangıç noktası modelleri literatürde hareketli tabanlı kanallar için mevcut modeller ile karşılaştırılmıştır. Modeller farklı performanslar göstermiştir. Bunun en önemli nedeni kanalların cidar özellikleridir. Hareketli tabanlı kanallar için geliştirilen modeller rijit cidarlı kanallar için geçerli ve kullanışlı değildir. Hareketli tabanlı kanallarda pürüzlülük daha yüksektir. Bu yüzden katı madde parçacığının harekete başlaması için daha büyük hidrodinamik kuvvet gerekmektedir. Dolayısıyla, hareket için gerekli hız ve kayma gerilmesi hareketli tabanlı kanallarda daha büyüktür. Başka bir deyişle rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketinin başlangıcı için hareketli tabanlı kanallara göre daha düşük hız ve kayma gerilmesine ihtiyaç vardır. Rijit cidarlı kanallar için hız ve kayma gerilmesi yaklaşımları kullanılarak geliştirilen modeller farklı sonuçlar vermektedir. Modellerdeki davranış farkı her bir modelin farklı kanal enkesitleri için geliştirilmiş olmasına bağlanabilir. Dolayısıyla kanalın enkesit şeklinin rijit cidarlı kanallarda katı madde hareketinde önemli olduğu söylenebilir. Akım ortamında bulunan katı madde hareketinde hareketli parçacıkların çökeldiği ve hareketsiz parçacıkların harekete geçtiği anlarda ölçülen kayma gerilmesi, boyutsuz kayma gerilmesi, tane Froude sayısı ve hız gibi akım karakteristikleri farklıdır. Bu karakteristikler çökelme başlangıç anında hareketin başlangıç anına göre daha büyüktür. Deneylerden elde edilen verilerin hız ve kayma gerilmesi yaklaşımları kullanılarak ile hareket başlangıç ve çökelme başlangıç modelleri kurulmuştur. Bu modeller ile hareket başlangıç veya çökelme başlangıç hızları ve kayma gerilmeleri hesaplanabilir. Uygulamada bu modeller kullanılarak çökelme meydana gelmeyecek şekilde akım hızı ve kayma gerilmesi veren kanal eğimi belirlenebilir. Geliştirilen modellere tasarım amacıyla kullanılabilen pratik araçlar olarak bakılabilir. Gözlemler katı madde parçacıklarının farklı hızlarda çökelmeye ve harekete başladığını, çökelme hızının harekete başlama hızından yüksek olduğunu göstermiştir. Yani hareketin başlangıcı için gerekli akım hızı, aynı akım koşulları altında hareket halindeki katı madde parçacığının çökelme başlangıcındaki akım hızından düşüktür. Başka bir deyişle, hareket halindeki katı madde parçacığı hareketsiz bir parçacığın harekete başlaması için gereken akım hızından daha yüksek bir akım hızında çökelmeye başlar. Akım hızının çökelme başlangıç hızı ile hareket başlangıç hızı arasında kaldığı bir kritik hareket bölgesi tanımlanabilir. Bu bölgede hareket bölgesinde katı madde parçacıkları hareketsiz iken hareketli ya da hareketli iken hareketsiz duruma geçme eğilimindedir. Yani, hareket halindeki parçacıklar çökelmeye başlamakta, hareketsiz duran parçacıklar harekete geçmektedir. Bu hız bölgesi eşik hız bölgesi olarak adlandırılabilir. Bu araştırmanın sonuçları katı madde birikmesi problemi ile karşı karşıya olan uygulamacı kurumlar tarafından inşaat, işletme ve bakım giderlerinin azaltılması amacı ile kullanılabilir. Rijit cidarlı kanalların çökelme koşulu altında tasarımının yapılması kanalların verimli ömrünü etkileyebilir. Bakım maliyetinin düşürülmesi bu çalışmanın bir diğer faydası olabilir. Belediyeler, su ve kanalizasyon idareleri, tarımla ilgili kamu kurumlarının yanı sıra konu ile ilgili özel sektörün de bu araştırmanın sonuçlarını ilgili projelerinde tasarım amacı ile kullanabilecekleri beklenmektedir. Bu yönü ile bu çalışmada elde edilen hem akademik hem de pratik anlamda önemli ve kullanılabilir olan, deney sonuçlarının rijit cidarlı kanalların tasarım kriterleri için faydalı olacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
In sediment transport studies it is aimed to determine flow and channel properties which prevent deposition of sediment particles. Continuous deposition of solid particles in the flow changes channel cross-section. It, hence, causes change in the velocity and wall shear stress distribution in rigid boundary channels, and significantly affects the carrying capacity and hydraulic resistance of the channel. Additional costs arise for cleaning a channel under the effect of sediment deposition. Also, deposition of sediment in urban drainage channels and sewer systems causes sediment to be contaminated with toxic substances and it is important to keep in mind that pollutants are transported with the sediment deposited. Self-cleansing is a substantial aspect of drainage system design. It is desired to minimize the sediment deposition problem in the drainage systems. In the conventional self-cleansing design criteria, a single value of velocity or shear stress is used based on experience. In the recent decades rather than using a single value, this concept was further modified to develop self-cleansing models based on higher number of parameters considering flow, fluid, sediment and channel characteristics. However, self-cleansing models were mostly developed for circular channels, and none of the models considers the effect of the channel cross-section although some models take the effect of geometry of the cross-section into account by using pipe diameter, hydraulic radius and cross-section area as independent variables. In this study, experimental studies of sediment transport in rigid boundary channels are briefly reviewed. Available self-cleansing models in the literature are classified into two main groups of“bed sediment motion”and“non-deposition”. It is found that there is no study in the sediment transport literature that cover the conditions of incipient motion, incipient deposition and non-deposition all together. In this study, experiments were conducted in five different cross-section channels namely; trapezoidal, rectangular, circular, U-shape and V-bottom in order to investigate incipient motion and incipient deposition of sediment in rigid boundary channels. In experiments four sand sizes were used as sediment. Experiments were performed considering the sediment motion cycle composed of decreasing velocity and increasing velocity half cycles. Within the experiments, non-deposition, incipient deposition, deposition and incipient motion conditions of sediment motion were examined. 180 experiments and accordingly 2609 observations were carried out for five different cross-section channels. Theoretical consideration of sediment threshold is performed considering shear stress and velocity approaches. The Shields and Yalin criteria are used for the shear stress approach, while the Yang, and Novak and Nalluri methods are considered for the velocity approach into analysis of experimental data. Available models in literature are evaluated and new models for incipient motion and incipient deposition of sediment in rigid boundary channels are developed in this study. The difference between incipient motion in loose and rigid boundary channels and also the effect of channel cross-section on the threshold condition are discussed herein. Analysis of incipient motion experimental data based on shear stress and velocity approaches and comparing the results with Shields, Yalin and Yang curves indicates that boundary dissimilarity of loose and rigid boundary channels is expected to affect the mobilization of sediment particles. In loose boundary channels flow needs higher shear stress and velocity to mobilize the particles in the bed. Analysis of incipient deposition experimental data based on shear stress and velocity approaches demonstrates that rectangular channel needs lower incipient deposition shear stress and velocity in comparison with other channels while U-shape and V-bottom channels need higher. However, rectangular channel has a different performance than other cross-sections that required lower shear stress and velocity. This indicates that rectangular channel has a higher efficiency of sediment transport as sediment particles deposit in lower velocities. A comparison of results for incipient motion and incipient deposition data shows that flow characteristics such as velocity, the dimensionless shear stress and the particle Froude number are higher in case of incipient deposition than incipient motion under the same hydraulic conditions. It is concluded that a critical range between the lower boundary-incipient motion and the upper boundary-incipient deposition can be defined as the threshold region of sediment motion in which sediment particles in the motion tend to deposit and stationary particles tend to move. Self-cleansing models are developed in this study for different cross-section channels. In order to make a general practical tool, a self-cleansing model considering the effect of cross-section by a shape factor is developed to determine the non-deposition particle Froude number for bed load sediment transport. The model is developed using experimental data of five different cross-section channels namely; trapezoidal, rectangular, circular, U-shape and V-bottom. For validation of the model, five sets of data available in literature are used. Validation of the model for each cross-section data taken from the literature shows its applicability that is independent of channel cross-section.
Benzer Tezler
- A novel approach for the incipience of sediment entrainment in a wide range of flow conditions via experimentally driven geno-fuzzy inference system model
Deneysel veri tabanlı geliştirilen özgün genetik-fuzzy yöntemi ile akım şartlarının geniş aralığında sediment hareketinin başlangıcının araştırılması
HUSSEIN BIZIMANA
Doktora
İngilizce
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Sifonik sistem çatı drenajına etkiyen parametrelerin değerlendirilmesi
Evaluation of the parameters that effect siphonic roof drainage systems
GÖKHAN ANDİÇ
Doktora
Türkçe
2013
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECATİ AĞIRALİOĞLU
- Su elemanlarının kentsel mekanlarda ve yeşil alanlarda kullanımı
Başlık çevirisi yok
AYSUN CENDERE
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE ÇIRACI
- Mesnevî'de sağlıklı ve dengeli beslenme metaforları
Metaphors of healthy and balanced nutrition in Mathnawi
GÜLŞAH DERİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Beslenme ve DiyetetikŞırnak ÜniversitesiTemel İslam Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM BAZ
- Râgıp el-İsfahânî'nin mutluluk anlayışı
Raghip al-Isfahani on happiness
AYNUR KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
DinErciyes ÜniversitesiFelsefe ve Din Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KAMİL CİHAN