Experimental study and numerical simulation of cavitation potential on güllübağ spillway model
Güllübağ dolusavak modeli kavitasyon potansiyelinin deneysel ve nümerik olarak modellenmesi
- Tez No: 608353
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 112
Özet
Bu çalışmada, Güllübağ barajı dolusavak modeli üzerinde kavitasyon oluşuma riski deneysel ve numerik modeller geliştirilerek incelenmiştir. Deneysel çalışma İstanbul Teknik Ünivertsitesi, İnşaat Fakültesi bünyesinde bulunana Hidrolik Laboratuvarında gerçekleştirlmiştir. Barajlar suyun depolanması ve düzenli temini, enerji üretimi ve taşkın kontrolü amacı ile üretilen büyük hidrolik yapılardır. Dünya genelindeki barajlar üzerinde karşılaşılan hasarlar incelendiğinde bu hasarların çoğunlukla uygun tasarım debisi seçilememesinden kaynaklandığı ve belirli bir süre sonra baraj yapılarının yıkılması veya güvenlik sebebi ile kullanılamaması gibi istenmeyen sonuçlara yol açtığı görülmektedir. Dolusavak, baraj güvenliği sağlayan en önemli yapılardan bir tanesidir. Baraj kapasitesinin aşılacağı zamanlarda artan su, barajın yapısal ve çevresel bütünlüğü korunarak dolusavaklardan akarsu mansabına güvenle ulaşmasını sağlar. Buradaki en önemli nokta, dolusavak yapısının ve barajın değer kısımlarının taşkın suyundan zarar görmemesi için, dizayn ve taşkın debilerinin doğru bir şekilde hesaplanmasıdır. Dolusavaklarda en sık rastlanan problemlerin başında kavitasyon gelmektedir. Kavitasyon, yüksek hızlı sularda akış yüzeyindeki değişiklikler sebebi ile sıvı içerisindeki düşük basınç bölgelerinde hava kabarcıkları oluşması durumudur. Kavitasyonun gözlemlenebilmesi için akım hızının çok yükselmesi ve dolayıyla sıvı basıncının buhar basıncının altına düşmesi gerekmektedir. Bu kabarcıklar basıncın tekrar yükseldiği bölgede patlayarak bir şok dalgası oluştururlar. Bu patlamanın dolusavak yüzeyine yakın olması ise yüzeyde aşınmalara sebebiyet vermektedir. Dolusavak yüzeyindeki çatlaklar ve benzeri yüzey bozuklukları kavitasyon potansiyelini arttıran etkenlerdendir. Bu çalışmada hidrolik laboratuvarında kurulumu yapılmış fiziksel model üzerinde gerçekleştirilen deney sonucunda dolusavak yüzeyindeki basınç dağılımı incelenmiş ve potansiyel kavitasyon bölgelerinin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Deneysel modelin üç farklı debi değeri altında basınç ve akış profili elde edilmiştir. Sayısal model oluşturulurken Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımlarından birisi olan FLOW 3D kullanılmıştır. FLOW 3D yazılımının bu çalışma için seçilmesinin sebebi; serbest yüzey akışlarının, bu yazılımda başarılı bir şekilde geliştirilen Akışkan Hacimleri Yöntemi (Volume of Fluid - VOF) ile doğru bir şekilde modellenebilmesidir. Akış Hacimleri Yöntemi birbirleri ile karışmayan akışkanlar arasında keskin bir arayüz oluşturabilen bir algoritmaya sahiptir ve bu sayede tanımlanması zor olan sınır koşulları bu yöntem ile rahatlıkla uygulanabilmektedir. Bu çalışmada Akışkan Hacimleri Yöntemi su ve hava arayüzünün doğru bir şekilde belirlenebilmesi için uygulanmıştır. Bu yazılımda sonlu hacim yöntemleri, Reynolds Ortalamalı Navier Stokes (RO-NS) diferansiyel denklemlerini çözümleyerek akışkanın fiziksel özelliklerini tanımlamak için kullanılır. Bu çalışmada Renormalized Group türbülans modeli tercih edilerek 3 boyutlu sayısal modelleme yapılmıştır. Nümerik ve deneysel modeller, üç farklı debi altında kullanılmıştır. Dolusavak üzerine yerleştirilen ölçüm cihazları ile basınç, hız, kavitasyon potansiyeli ve derinlik parametreleri ölçülmüştür. Deneysel ve sayısal modelin dolusavak üzerindeki basınç değerleri karşılaştırıldığında bulguların birbirlerine yakın ve uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür. Nümerik model sonuçları sıçratma eşiğine yakın bölgelerde ve yan duvarlarda kavitasyon potansiyeli olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Dams are big hydraulic constructions to store water for purposes of potable water supply, generate energy, flood control, irrigation and human activities. Worldwide inspections of dams show that the main reason for damages on dams is choosing the wrong flow rate at the design stage causing in a total collapse of the dam or shutting down as a safety precaution. Spillway is one of the most important structures to ensure the safety of the dam. When the water level increases to a limit close to the full capacity of the dam, the spillway is service to evacuate flood wave from upstream to downstream without damaging any environment and structures. In order to prevent damage to the spillway or other structure components of dam, the released water flow rate should not be exceeded the design flow rate. Cavitation is the most common problem in the hydraulic engineering. It occurs when pressure decrement creates bubbles in a high-speed flow with geometry change. The fluid pressure must decrease below the vapor pressure to observe cavitation phenomenon. Forming bubbles explodes subsequently under high pressure. This cavity extracts dynamic energy. If the explosions happen close to the spillway surface, they create damage on the surface. Cracks and such surface defects are effects to increase cavitation possibility. In this study, it is aimed to find possible cavitation areas by investigating the pressure gradient over the spillway model under three different flow rates in the laboratory. The experiment is performed under three different flow rates to observe the pressure and flow profile. As a Computational Fluid Dynamics (CFD) software FLOW 3D is used to create a numerical model to validate the experiment data of this study. The reason for choosing this software is that it makes it possible to create an optimal free surface flow model by a successfully developed method called Fluid Volume (VOF). Volume of Fluids has an algorithm to create a sharp surface between the fluids which do not mix. This algorithm helps to easily define boundary conditions which are usually very complicated to form. Volume of Fluid method is used in this study to determine the surface between the water and air. In this software, the finite volume method is used to define physical specifications of the fluid by analyzing The Reynolds Averaged Navier Stokes differential equations. Renormalized Group turbulence model is chosen to develop a three-dimensional numerical model to investigate cavitation phenomenon on the surface of spillway under different flow rates in this study. The experiments are performed under three different flow rates (including the one used for the physical model) to observe pressure, speed, water depth and possibility of the cavitation by placing probes on surface of spillway model. The experimental data is validated with numerical model. Accurate numerical model results are obtained with assessment of experimental data. It shows a good agreement between the numerical model results and experimental data. According to results of this study, the areas close to flip bucket zone and sidewalls are prone to cavitation damage.
Benzer Tezler
- Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı
Hydro and vibroacoustical solution of underwater vehicles using numerical methods and digital sonar design
EMRE GÜNGÖR
Doktora
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
Investigation of cavitation phenomenon in horizontal axis marine current turbine by experimental and nonlinear numerical methods
MEHMET SALİH KARAALİOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Numerical simulation of unsteady quasi-one-dimensional bubbly cavitating nozzle flows
Sanki-bir-boyutlu lülelerde daimi olmayan kavitasyonlu kabarcıklı akışların sayısal benzetimi
ZAFER BAŞKAYA
Doktora
Türkçe
2011
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN FUAT DELALE
- Numerical simulation of cavitation phenomena inside fuel injector nozzles
Başlık çevirisi yok
BARIŞ BİÇER
- Gemi pervanelerinde kavitasyon ve kavitasyon erozyonu modellemesi
Cavitation and cavitation erosion modeling on marine propellers
ONUR USTA
Doktora
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
