Geri Dön

Experimental investigation of the flow around hexagonally arrayed circular cylinder group under steady flow conditions

Altıgen dizilimli silindir grubu etrafındaki akımın kararlı akım koşulları altında deneysel olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 496349
  2. Yazar: ÖZGE KARABAY
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ORAL YAĞCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Köprüler, düşük maliyetli ve kullanışlı ulaşım ağları oluşturmaları bakımından uygarlık tarihi boyunca tercih edilmiş, önemli yapı elemanlarıdır. Köprü ayaklarının suyla direk etkileşim halinde oluşu, yapının hidrolik etkiler hesaba katılarak tasarlanmasını gerekli kılmaktadır. Akıma maruz kalan köprü ayağı, mevcudiyetiyle etrafındaki akım özelliklerinde önemli ölçüde değişimlere sebep olur. Bu değişimler köprü ayağı etrafında sediment taşınımını arttırarak oyulmalara yol açabilir ve bu da yapının stabilitesini ciddi oranda bozabilir. Köprülerin yıkılmasına sebebiyet veren en büyük etmenlerden bir tanesinin köprü ayakları etrafında meydana gelen oyulma olduğu düşünüldüğünde, oluşabilecek oyulmanın miktarını düşürecek önlemler almak ve bu doğrultuda bir tasarım yapmak mühendisler için büyük önem kazanmıştır. Bitkiler etrafındaki oyulmayı inceleyen önceki deneysel çalışmalar, bitkilerin davranışını poroz silindirlerle modelleyerek araştırmışlar ve porozitenin artmasıyla oyulmanın önemli ölçüde azaltılabileceğini ortaya koymuşlardır. Bu sonucun ışığında, köprü ayaklarının poroz olarak inşa edilmesinin oyulma miktarını azaltabileceği, üstelik akımı daha az bloke edeceğinden dolayı taşkın riskini önlemeye yardımcı olabileceği düşünülmüş ve bu konuda araştırmalar yapılmıştır. Yapısal perspektiften bakıldığında, enkesit alanı sabit tutulan yapının eksenel yüklere karşı düşey yönde taşıyıcılığının da sabit kalacağı bilgisinden hareketle fikrin yapısal olarak uygulanabilirliği görülmüş ve bu kapsamda yapılan birçok çalışmada, daha küçük çaplı silindirlerin belirli aralık ve dizilimlerle bir araya getirilmesiyle oluşmuş poroz yapılar üzerinden geçen akım ve etrafında oluşan oyulma mekanizması incelenmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar konuyla alakalı kaynak sağlamış ve bu kapsamda güçlü bir temel oluşturmuş olmakla beraber, konuya dair pek çok nokta halen belirsizliğini korumaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, yapı etrafındaki oyulmayı azaltmak üzere tasarlanabilecek potansiyel silindir grubunun arkasında oluşan akım alanının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunmaktır. Tez kapsamında, porozite ve yaklaşım açısının grup silindirlerin arkasındaki akım üzerindeki etkileri, hız ve türbülans değerleri üzerinden kıyaslanarak incelenmiştir. Bu bağlamda; 12, 16, 20 ve 24 cm dış çapa sahip, yedi adet 3.4 cm çapında küçük silindirden oluşan, altıgen dizilimli dairesel silindir grupları kullanılmış olup, kıyas için 12, 16 ve 20 cm çaplarında boşluksuz silindirlerden yararlanılmıştır. Tez kapsamında toplam 15 set deney yapılmış olup, bunların 12 tanesi altıgen dizilimli silindir gruplar, 3 tanesi ise boşluksuz silindirler kullanılarak yapılmıştır. Altıgen dizilimli dairesel silindir grubu (HACC) ile yapılan deneylerde modelin yaklaşan akım karşısındaki açısı ve blokaj oranınının model çevresindeki akım üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla üç farklı yönelim (Düzenli, çapraz ve açılı) denenmiş, sonuçlar kıyaslanmıştır. Deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarında bulunan akım kanalında, kararlı akım koşulları altında yürütülmüştür. Söz konusu akım kanalı 26 m uzunluğunda, 99 cm genişliğinde ve 85 cm yüksekliğinde olup, tabanı beton ve yan yüzeyleri pleksiglastır. Tüm deneyler boyunca bozulmamış akım hızı ve su yüksekliği sabit değerde (Sırası ile 0.25 m/s ve 3.10 cm) tutulmuş, dolayısıyla sabit debi ile çalışılmıştır (74.5 l/s). Gelen akımın altıgen dizilimli dairesel silindir grubu ve boşluksuz silindir arkasında oluşturduğu üç boyutlu hız profili, yüzey ve taban yakınında olmak üzere iki farklı yanal düzlem boyunca Vectrino Profiler (Vectrino II) hızölçer vasıtasıyla ölçülmüştür. Yüzey ölçümlerinde yüzeyden 7 cm aşağısına tekabül eden 23.1 cm taban mesafesinden veri alınırken, taban ölçümlerinde 7 cm taban mesafesinden hız verileri alınmıştır. Her deney, hata payını en aza indirebilmek adına önceden hazırlanmış olan deney formları kullanılarak ortalama 8 saat süreyle yürütülmüştür. Ölçüm noktaları her çevreleyen çap için en yüksek hız değerlerini yakalayabilmek adına ayrı ayrı, silindir arkasında en sık olacak şekilde belirlenmiştir. 12 cm, 16 cm, 20 cm ve 24 cm çevreleyen çaplar için sırasıyla 81, 85, 91 ve 95 ölçüm noktası belirlenmiştir. Ölçümler, düzenli ve çapraz yönelimdeki altıgen dizilimli silindir grupları ve boşluksuz silindirler için simetri ekseninin tek tarafında alınmış (simetrik yapılarına istinaden), yalnızca açılı yönelimdeki silindir gruplarında baştan sona ölçüm yapılmıştır. Silindir gruplarının ve tekil silindirlerin etrafında akıma ait Reynolds sayısı değerlerinin çapa bağlı olarak 30000 ila 60000 arasında değiştiği saptanmış olup, değerler boşluksuz silindir baz alınarak belirlenmiştir. Akıma ait noktasal, anlık hız değerlerinin zamansal ortalaması akım yönü, düşey ve yanal doğrultudaki bileşenler için sırasıyla u ̅,w ̅,v ̅ ile gösterilmiş olup, türbülans yoğunluğuna ait bileşenler yine akım yönü, düşey ve yanal doğrultular için sırasıyla u_rms, w_rms, v_rms ile simgelenmiştir. Değişkenleri boyutsuz hale getirmek için, tüm hız ve enerji bileşenleri bozulmamış akım hızı U_o ile normalize edilmiştir. Verilerden elde edilen hız ve türbülans değerlerine ait grafikler çevreleyen çapa (boşluksuz hacim oranına) ve yönelime (blokaj oranı ve akımın yaklaşım açısına) göre kıyaslanacak şekilde iki türde oluşturulmuş, sonuçlar yorumlanmıştır. Akım yönündeki zamansal ortalaması alınmış normalize edilmiş hızlar incelendiğinde, en yüksek boşluksuz hacim oranına sahip altıgen dizilimli silindir grubunun (12 cm HACC) her yönelim için, hem yüzey hem de taban ölçümlerine bakıldığında özdeş (aynı çevreleyen çaptaki) boşluksuz silindirle büyük ölçüde benzerlik gösterdiği saptanmıştır. Boşluksuz hacim oranı azaldıkça yönelim etkisinin daha çok gözlendiği ve farklı yönelimdeki aynı silindir gruplarının hız değerlerin birbirinden farklılaşma eğilimi gösterdiği görülmüştür. Ayrıca boşluksuz hacim oranı arttıkça akım yönünde daha yüksek negatif hızlar gözlenmiştir. Sonuçlara göre, genel olarak hız ve türbülans karakteristiklerinin artan porozite (azalan boşluksuz hacim oranı) ile dizilimler arasında farklılaşmaya sebep olduğu görülmüştür. En yüksek boşluksuz hacim oranına sahip silindir grubunun akım karşısındaki davranışının ise, incelenen hız ve türbülans değerleri açısından özdeş (aynı çevreleyen çaptaki) boşluksuz silindirle büyük ölçüde benzerlik gösterdiği saptanmıştır. Hemen hemen tüm bileşenlerin, yüzey ölçümlerinde daha yüksek değerler aldığı gözlenmiştir. Diğer yönelimlere kıyasla açılı (angled) yöneliminin (asimetrik geometrisinden ötürü) tüm hız ve enerji bileşenleri için daha karmaşık bir desen meydana getirdiği görülmüştür. Altıgen dizilimli silindir grubunu oluşturan tekil silindirler arasından geçen /sızan akım (bleed flow) hızının genişliğe göre ortalaması alınmış ve bozulmamış akım hızıyla normalize edilmiş değerleri kıyaslandığında, izdüşüm alanı en küçük olan yönelim, düzenli (regular), durumu için en yüksek değerleri aldığı tespit edilmiştir. Boşlukluluğun (porozitenin) artması ile, yönelimin sızan akım hızları üzerindeki etkisinin azaldığı gözlenmiştir. Özetle, bu çalışmadan elde edilen deneysel sonuçlar, farklı silindir gruplarının yönelim ve boşluksuz hacim oranlarının art izi bölgesinde oluşan akım üzerinde etkin bir rol oynadıklarını ve bu bölgedeki akımın yapısını büyük ölçüde belirlediklerini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Bridges have been practical structures through the history of civilization due to their useful role in the design of cost-effective transportation routes. As the bridge piers are in interaction with water, to investigate the potential impacts of the flow on the bridge pier has become an important subject for hydraulic engineers. When an obstacle, specifically a bridge pier, is exposed to flow, the presence of the structure significantly alters the flow domain in its vicinity. These alterations may cause increased sediment transport and result in scour around the structure. Since the instability caused by scour around bridge piers is one of the top reasons of bridge failures, the estimation of the scour depth and taking effective precautions have always been a key issue for engineers. Previous experimental researches about fluvial flow around vegetation elements were undertaken by using porous obstructions. Circular cylinder groups were substituted for vegetation elements. The experimental results showed that with the increasing porosity of the obstacle, the scour depth might be decreased to a considerable extent. In the light of this outcome, it was thought that designing a porous bridge pier might be a potential solution to diminish the scour depth. Moreover, a porous pier would block less flow and help reducing the flood risk. Considering the fact that the load bearing capacity of the bridge pier basically depends on its cross sectional area, the idea was feasible. From this point of view, different groups of circular cylinders were considered as potential porous bridge piers and the flow characteristics around them were investigated. Those experimental studies, investigating the flow structure and scour patterns around the circular cylinder groups, have formed a strong basis for the subject. Nevertheless, there is still progress to be made. The primary aim of the present study is to give a better understanding of the flow field around a group of pile, which may eventually be used for reducing scour around the structure. Within the scope of the thesis, fifteen sets of experiments were conducted in order to see how solid volume fraction and orientation (angle of attack of the flow) of different cylinder groups affect velocity and turbulence profile of the flow in the rear of the obstacles. Flume experiments have been carried out under steady flow conditions in a recirculating flume in the Hydraulics Laboratory of Istanbul Technical University, which has a horizontal bed of smooth concrete and sidewalls made of Plexiglas. Each experiment lasted for approximately 8 hours. Hexagonally arrayed circular cylinders (HACC) with four different circumambient diameters (12, 16, 20 and 24 cm) under three different orientations (regular, angled and staggered) and three solid cylinders with diameters of 12 cm, 16 cm and 20 cm were used as model piles. HACC is a porous element comprised of seven cylinders of 3.4 cm diameter. Six of them are hexagonally arrayed and one is placed at the center. In order to plot the velocity profile in the rear of each obstacle, 3D velocity values of constituent points of the lateral line closest to the obstacle have been recorded and the results were analyzed. In general, the behavior of the 12 cm HACC, which has the highest solid volume fraction, closely resembles the solid cylinder. With the decreasing solid volume fraction, flow patterns behind each HACC case show tendency to divergence from each other and their counterpart solid cylinder. Taken as a whole, the mean flow velocity and turbulence intensity values of surface measurements were higher compared to those of the bottom measurements. The normalized width-averaged bleed flow velocity values for the regular cases were always higher than other two cases owing to its smallest projected area. With the decreasing solid volume fraction, the role of the arrangement diminishs and the solid volume fraction becomes highly influential on the observed width-averaged bleed flow velocity. To sum up, the experimental results of the present study points towards the idea that both the orientation and the solid volume fraction of HACC play a crucial role in the flow structure behind the body.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439487

    Experimental investigation of local scour patterns around hexagonally arrayed cylinder groups

    Altıgen dizilimli silindir grupları etrafındaki yersel oyulma desenlerinin deneysel olarak araştırılması

    IŞILSU YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ORAL YAĞCI

  2. Tez No

    439585

    Eksenel gaz türbini kanat ucu geometrisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile aerotermal tasarımı

    Aerothermal design of axial gas turbine blade tip using computational fluid dynamics

    CEM BERK ŞENEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  3. Tez No

    763383

    Hysterical effects in flow characteristics in the wake region of group of cylinders during the passage of gradually varying unsteady flow

    Tedrici değişken akım koşullarında silindir iz bölgesindeki akım ve türbülans karakteristiklerinde histerik etkiler

    ERYILMAZ ERDOG

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORAL YAĞCI

  4. Tez No

    419006

    Investigation of flow field around/through simplified emergent isolated tree-like vegetation

    Akıma batmamış basitleştirilmiş ağaçsı tekil bitki civarındaki akım alanının incelenmesi

    DORUKHAN KELLECİOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ORAL YAĞCI

  5. Tez No

    271449

    Kare prizma etrafındaki akışın sentetik jet ile kontrolünün deneysel incelenmesi

    Experimental investigation of modification of flow around square prism by synthetic jet

    ERHAN FIRAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    EnerjiNiğde Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YAHYA ERKAN AKANSU

Geri Dön