Numerical investigation of hydrodynamic effects of waves caused by landslide in dam reservoirs
Toprak kayması sonucu oluşan dalgaların baraj haznesinde oluşturduğu hidrodinamik etkilerin nümerik olarak araştırılması
- Tez No: 467171
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Baraj Gölü, Denizüstü ve Denizaltı Heyelan, Su Dalgası, Sayısal Model, Dam reservoir, subaerial and submerge landslide, impulsive water wave, numerical model
- Yıl: 2017
- 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: 120
Özet
Bu tez çalışmasında serbest düşen bir rijit cisimin oluşturduge su dalgası incelenmiştir. Baraj gölü kenarlarındaki heyelanlar, taşkınlara neden olabilir veya baraj tepesini aşacak kader büyük dalgalar üretebilir. Mevcut araştırmada heyelanla oluşturulan dalgalar Navier-Stokes denklemlerine dayalı sayısal bir model kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmada impuls dalga genliği, periyot, enerji araştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan sayısal model FLOW-3D üç boyutlu kodudur. Bu araştırmanın amacı, heyelan davranışlarından kaynaklanan su dalgalarının üç boyutlu bir temsilini oluşturmak için sayısal modelleme yoluyla heyelanların oluşturduğu su dalgaları ile ilgili eksik çalışmaları doldurmaktır. Bu bilgi tsunami tehdidinin değerlendirilmesi ve hafifletilmesi için kullanılabilir. Toplanan veriler sonuç olarak heyelan etkisinden doğan yaşam kaybını önemli ölçüde azaltabilir. Heyelanın ürettiği dürtü dalgalarının fiziğinin karmaşikindan dolayı hala tüm etkili parametreler tamamen tanınmamaktadır. Mevcut çalışmada sayısal modellemenin karmaşık problemi ile ilgili araştırmalara göre heyelanlar dalgalar üretmektedir. Konuyla ilgili büyük miktarda çalışmaya rağmen, insanları zamanında uyarabilecek bir erken uyarı sisteminin geliştirilmesi gibi, henüz tam olarak çözülmeyen pek çok sorun vardır. Sorunun karmaşıklığı, yakın alan içerisinde tamamen üç boyutlu olgunun mekanizması ve fiziği üzerine kuruludur. Dahası, heyelanın dinamik açıklaması, su ile etkileşimin yanı sıra simüle olması da oldukça karmaşıktır. Bu çalışmanın amacı heyelanların oluşturduğu su dalgalarının detaylı simülasyonlarını sağlayacak sayısal bir model uygulamak ve uygulamaktır. Bu modelin reolojik bir modeli tanıtan heyelan dinamiğini temsil etme kabiliyeti de araştırılmıştır. Bu tezin amacı, heyelanlar tarafından oluşturulan dalga davranışını baraj gölünde modellemek, analiz etmek ve incelemektir. Bu nedenle, modelleme ilk önce cismin şekillerinin sonuçlarını incelemek için küçük boyutlu kanallar üzerine uygulanır ve cismların fiziksel şeklinin oluşturulan dalgaları etkileyip etkilemeyeceğini belirlemek için katılık veya muğlaklıkları belirlenir. Ayrıca, kütlelerin sertliği veya ayrıntı düzeyi, barajlarda suyun yükselmesi üzerinde herhangi bir etkisi bırakıp bırakmaması araştirilmiştir. Bu modellemeden sonra, tüm bu bulgular Maku Barajı'nın gerçek durumu üzerinde yürütülmüş, böylece barajın bozulmasını ve daha sonra meydana gelen suyun yükselmesinin önlenmesi için dalga davranışları tam olarak incelenmiştir. Bu çalışma tamamen Lagrange modelin seçimi, serbest yüzey üzerinde belirli herhangi bir kısıtlama olmaksızın, dürtü dalgalarının oluşturulması, yayılması ve çalıştırılmasını taklit etme olasılığına bağlıdır.Dalga davranışını ve hız vektörlerinin çeşitlerini anlamak suretiyle, suyun yükselmesi, barajın çökmesi, taşkın olması ve aşağı doğru topraklarda batma öngörülebilir. Navier-Stokes modelinin sonuçları, oluşturulan dalgaların kayma mekanizması ve kinematik detaylarına büyük ölçüde bağlı olduğunu göstermektedir. Düşen rijit cisim çevresinde hız alanları, basınç dağılımları ve türbülans yoğunlukları için sayısal çözümler de sunulmuştur. Sonuçlar, her durumda dalganın genel modelinin aynı olduğunu, ancak amplitüd ve periyodun farklı olduğunu göstermektedir. Veri analizi karasal kaynaklı dalgalar halinde maksimum dalga tepesi genliği kuvvetle yatak eğim açısı, heyelan darbe hızı, kalınlık, kinematiği ve deformasyon ile ve heyelan şekli etkilendiğini göstermektedir. Çarpma hızı, kütle geometrisi, şekli ve deformasyonu gibi temel parametrelerin darbe dalgası özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Denizüstü ve denizaltı toprak kaymalarının neden olduğu dürtüsel dalgalar üzerine laboratuar incelemeleri yapılmıştır (Ataie-Ashtiani, 2008; Najafi-Jilani, 2008). Denizüstü ve denizaltı heyelanlarından dolayı dalga üretimini simüle etmek için sayısal analizler yapılmıştır. Akış alanını analiz etmek için çeşitli heyelan geometrileri kullanılmıştır. Simüle edilmiş sonuçlar, hız sahası ve serbest yüzey profilleri açısından göldeki karmaşık akış modellerini göstermektedir. İRAN'ın kuzeybatısındaki Maku Barajı nümerik modeli uygulanmaktadır. Oluşan dalga yükseklikleri, dalga yükselmesi, baraj kretinin üstündeki maksimum dalga yüksekliği ve baraj yükselme hacmi değerlendirilmiştir. Baraj gövdesine yakın maksimum dalga yüksekliği 3.6 m'dir. Sayısal analiz sonuçları, tüm durumlarda dalganın genel modelinin aynı olduğunu, ancak genlik ve periyodun farklı olduğunu göstermektedir. Sayısal analizler karasal kaynaklı dalgalar halinde maksimum dalga tepesi genliği güçlü deformasyon ile ve heyelan şekli etkilendiğini göstermektedir. Kütle deformasyon, aşağı% 35 dalga kret genliği üzerinde maksimum azalma ve dönemine göre% 30'a kadar maksimum artış yapılmış karasal darbe dalga özelliklerinin genel desen hiçbir güçlü değişiklikler olmasına rağmen. Kütlenin şekli kuvvetle dalga genel özelliği etkilemektedir ve en genlik ve periyot% 10'dan az değişmektedir. Son olarak, Navier-Stokes modelinin sonuçları, oluşturulan dalgaların kayma mekanizmasına ve kinematik detaylarına oldukça bağımlı olduğunu göstermektedir. Dürtüsel dalgaları taklit etmek için genişletilen model, bir su kütlesine giren Denizüstü heyelan kaynaklıydır. Genişletilmiş modeli doğrulamak için bir dizi üç boyutlu deneysel veri kullanılmıştır. Zaman faz farkları ve dalga amplitütlerinin tahmin hatası sırasıyla % 15 ve % 5'in altındadir. Simüle deneylerin çoğunluğu için dalga genliginin tahmin hatası % 1'den düşüktür. Bu nedenle, genişletilmiş model, üretim ve yayılım aşamalarında simüle edilen deniz altı heyelanı tarafından üretilen dalgalar için gözlemlenenlere benzer bir doğruluk derecesinde, hava-alti heyelanla oluşturulan dalgaları simüle edebilir. İran'ın kuzeybatısındaki Maku Barajı rezervuarlarının gerçek durumunun taklit edilmesi için genişletilmiş model uygulanmıştır. Oluşan dalga yükseklikleri, dalga yükselmesi, baraj kretinin üstündeki maksimum dalga yüksekliği ve baraj tepe hacmi her vaka için değerlenmektedir.Maku Barajının ilk simülasyonu için baraj gövdesine yakın maksimum dalga yüksekliği 3.6 m dir. Bu nedenle, en iyi durumda, aşırı yükselme olmamaktadır. En kötü koşullarda (yağışlı mevsimlerde), aşırı ısınma olmaz.
Özet (Çeviri)
The water wave generation by a freely falling rigid body is examined in this thesis. Landslides on the margins of dam reservoirs may generate large waves that can produce flooding over the banks or overtopping the dam crest. In the present investigation, landslide generated waves are studied using a numerical model based on Navier-Stokes equations. Impulse wave amplitude, period, energy are studied in this work. The effects of bed slope angle on energy conversion from slide into wave are also investigated, and the numerical model we used in this study is the full three dimensional commercial code FLOW-3D. The purpose of this research is to fill in missing data regarding water waves generated by landslides through numerical modeling to create a three dimensional representation of water waves generated by landslide behavior. This information could eventually be utilized to transform assessment and mitigation of the tsunami threat. The data collected could in turn drastically reduce the resulting loss of life from a landslide impact. Because of complication of physics of landslide generated impulse waves, still not all influential parameters are fully recognized. In the present work deals with the complex problem of numerical modeling landslides generated waves. Despite the huge amount of work on the subject, there are many aspects that are not yet completely solved, for example the development of an early warning system capable to alert people in time. The complexity of the problem lies on the mechanism and the physics of the phenomenon that is fully three-dimensional in the near field. Moreover, the dynamical description of the landslide is very complicated to simulate as well as the interaction with the water. The aim of this work is to implement and apply a numerical model able to provide detailed simulations of water waves generated by landslides. The capability of this model to represent the dynamic of the landslide introducing a rheological model is also investigated. The purpose of this thesis is to model, analyze and study of the wave behavior generated by landslides into the dam reservoir. For this reason, modeling is first implemented on small dimensions of channel to study the consequences of slide shapes and their rigidity or granularity in order to determine whether the physical shape of the slides can impact the generated waves or not. Also, whether the rigidity or granularity of slides can leave any influence on water run-up in dams. After this modeling, all these findings are carried out in the real case of the Maku Dam so that the wave behavior is fully studied to prevent the dam failures and subsequent damages caused by water run-up. Thus, only the first simulations are conducted considering the landslide as a rigid body and using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) numerical model, after that SPH is used to simulate the landslide as a deformable body, testing and applying a particular rheological model. Finally 3D simulation of deformable landslides falling into the water are performed. The choice of this particular fully lagrangian model is due to the possibility of simulating generation, propagation and run-up of the impulse waves, without any particular constraint on the free surface. By understanding the wave behavior and the variations of velocity vectors, water run-up, dam failure, flooding and the sinking of the downstream lands can be anticipated. Results of the Navier-Stokes model show that waves generated are highly dependent upon the details of slide mechanism and kinematics. Numerical solutions for the velocity fields, pressure distributions, and turbulence intensities in the vicinity of the falling rigid body are also presented. Results show that the general pattern of wave in all cases is the same but the amplitude and period are different. Data analysis shows that the maximum wave crest amplitude in subaerial induced waves is strongly affected by bed slope angle, landslide impact velocity, thickness, kinematics and deformation and by landslide shape. The effects of the main parameters such as, impact velocity, slide geometry, shape and deformation on the impulse wave characteristics have been inspected. Moreover, Laboratory investigations have been performed on the impulsive waves caused by subaerial and submarine landslide. Numerical analyses were performed to simulate the wave generation due to subaerial and submarine landslide. Different types of landslide geometries were used to analyze the flow field. Simulated results show complex flow patterns in the lake in terms of velocity field, and free surface profiles. Numerical results of wave amplitudes and velocity magnitudes for circular, rectangular and triangular landslide geometries are applied to the sliding materials are computed, which are used by geotechnical engineers to study the stabilization of the slope. The extended model is applied for simulating real case, the Maku Dam reservoirs located in the northwestern of Iran. The generated wave heights, wave run-up, maximum wave height have been evaluated for each case. The maximum wave heights is 3.6 m. The results of numerical analyses demonstrate that the general pattern of wave in all cases is the same but the amplitude and period are different. The numerical analyses show that the maximum wave crest amplitude in subaerial induced waves was strongly affected by deformation and by landslide shape. Slide deformation made a maximum reduction on wave crest amplitude down to 34% and a maximum increase up to 30% on period, although no strong changes in general pattern of subaerial impulse wave features. Slide shape did not strongly affect the general feature of impulse wave and at most the amplitude and period were changed less than 10%. Finally, the results of the Navier-Stokes model show that waves generated were highly dependent upon the details of slide mechanism and kinematics. The model extended for simulating impulsive waves was caused by subaerial landslides entering a water body. A set of three-dimensional experimental data was used to validate the extended model. The time phase differences and the estimation error of the wave amplitudes were less than 14% and 5%, respectively. The estimation error of the wave amplitude for the majority of the simulated experiments is less than 1%. Therefore, the extended model is able to simulate subaeriallandslide-generated waves with a degree of accuracy similar to that observed for the simulated submarine-landslide-generated waves in generation and propagation stages. The extended model was applied for simulating real case, the Maku Dam reservoirs located in the northwestern of Iran. The generated wave heights, wave run-up, maximum wave height were evaluated for each case.
Benzer Tezler
- Sualtı patlamalarının saha ölçümleri ve sayısal modellemelerle incelenerek civardaki deniz araçlarında hasar tahminleri yapılması
Investigation of underwater explosions by field measurements and numerical modelings to estimate damages on nearby platforms
ALPASLAN TATLISULUOĞLU
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR BEJİ
- Sismik yükler etkisindeki silindirik tanklarda mod süperpozisyonu yönetimi ile sıvı yapı etkileşimi problemlerinin çözümü
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA SAATÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Mühendisliği Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTAÇ ERGÜVEN
- Kentsel ve kırsal alanlarda şehirleşmenin etkisinin, iklim modeli COSMO-CLM ve TERRA-URB kullanılarak incelenmesi
Investigation urbanization effects of urban and rural areas over Istanbul with COSMO-CLM and TERRA-URB climate models
HURİYE PERİM TEMİZÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YURDANUR ÜNAL
- Gemi pervanesinin hidro-akustik performansının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigaton of ship propeller hydro-acoustics performance
SAVAŞ SEZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Değişken kesitli baraj-rezervuar etkileşim problemlerinin varyasyonel hibrid eleman metodu ile çözümü
Başlık çevirisi yok
HAKAN UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTAÇ ERGÜVEN