Evaluation of reynolds stresses in sediment flushing in an open channel flow
Açık kanaldaki reynolds gerilmelerinin sediment yıkama işlemi sırasında değerlendirilmesi
- Tez No: 610506
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
- 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: 75
Özet
Rezervuar kapasitesinin belirlenmesi her zaman baraj tasarım süreçlerinin önemli bir parçası olmuştur. Bir rezervuarın kapasitesi,“Kütle Eğrisi Analizi”,“Sıralı Pik Analizi”ve“Operasyon Çalışması”gibi bazı yöntemler kullanılarak hesaplanır. Barajın ölü hacim değeri, bazı ampirik formüller kullanılarak yıllık sediment birikiminin tahmin edilmesi ile ardından ise yüzdesel olarak ifade edilen rezervuar verimliliğinin tahmin edilmesiyle elde edilir. Verimlilik, rezervuar kapasitesinin toplam debiye oranının bir fonksiyonu olarak da tanımlanabilir. Genelde sediment birikimi, rezervuara giren debinin büyüklüğüne bağlı olarak düşük miktarlardan büyük miktarlara kadar değişebildiğinden, sediment birikiminin tahmin edilmesi zordur ve hesaplanan ölü hacim değerleri gelecekte karşılaşılması muhtemel gerçek değerleri yansıtmayabilir. Bu tür yanlış tahminler, beklenmeyen ve ekstrem boyutta olan sediment birikiminden dolayı barajın tahmini kapasitede işletilememesi nedeniyle büyük mali kayıplara neden olmaktadır. Rezervuar kapasitelerini yeniden kazanmak için, dünyada kullanılan en yaygın teknik olan boşaltma, sifonlama, tarama ve yıkama gibi bazı teknikler uygulanır. Ayrıca, bütün nehir havzasının işletimindeki birkaç düzensizlik de beklenmedik miktarda sediment birikimine neden olabilir. Örneğin, havzada bulunan öncelikli bir barajın inşaatına başlanması gerekirken havza planını da bozarak ikincil bir barajın inşaatına başlamak bu usulsüzlüklerden biridir. Çalışmamıza sebebiyet veren durum da benzer bir yanlışlıktan kaynaklanmaktadır. Laleli, İspir ve Güllübağ barajlarının debi ve hız anlamında dünyanın en büyük nehirlerinden biri olan Çoruh nehrinin ana koluna yapılması planlanmıştır. Nehrin debisi yıldan yıla değişmekle birlikte, genellikle 200 m3 /s'nin üzerinde bir ortalama debiye sahiptir. Tüm bu üç barajın da Çoruh havzasında hem su potansiyeli hem de sediment birikiminin düzenlenmesinde kilit rol oynaması beklenmiştir. Bu bağlamda, sırasıyla Laleli, İspir ve Güllübağ barajlarının yatırıma dönüştürülmesi gerekiyordu. Ancak bazı finansal nedenlerden dolayı ilk olarak Güllübağ Barajı inşaatına başlanması ve buna bağlı olarak projenin uygulama projelerinin hazırlanmasına karar verilmiştir. Baraj, üç kapaklı dolu savağa, enerji tüneli için bir su giriş yapısına ve gövdede iki adet sediment savağına sahip olan bir silindirle sıkıştırılmış beton baraj olarak tasarlanmıştır. Bunlara ek olarak, Laleli ve İspir barajlarının tamamlanmasına kadar, rezervuarda biriken sediment miktarının Güllübağ Barajı'ndaki ölü depolama hacmini kolaylıkla aşacağı ve iki büyük kapasiteli sediment savağı tasarlamanın elzem bir adım olduğu düşünülmüştür. Rezervuarın toplam hacminin 15 milyon m3 olması, bu düşüncenin gerekliliğini göstermektedir. Bu kapsamda tasarımcı firma, proje kriterlerini detaylı olarak belirlemek için Istanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'ndan hidrolik model deneyleri talep etmiş ve bu kapsamda sadece dolu savak deneyleri değil, aynı zamanda bu çalışmanın da odak konusu olan bir dizi sediment savağı deneyi de gerçekleştirilmiştir. Sediment savağı deneylerinden bu çalışmayı ilgilendiren kısım modelin oluşturulması, malzeme seçimi gibi temel adımların yanında, hız-basınç profillerinin elde edilmesi ve yıkama deneylerinin yapılmasıdır. Analiz bölümünde, bu deney adımlarında elde edilen veriler yorumlanacak ve bu ölçülen değerlerden yola çıkarak gerekli hesaplamalar gerçekleştirilecektir. Çalışma kapsamında, giriş kısmında tezin ana başlıklarından ve belli başlı içeriklerinden sırasıyla bahsedilmiş, çalışmayı inceleyecekler için genel bir bakış açısı kazandırmak amaçlanmıştır. Hâlihazırda yapılmış olan sediment savağı deneyleri ve bu deneylerden elde edilen veriler doğrultusunda hazırlanmış analizlerden önce, konu ile ilgili dünya genelinde yürütülmüş çalışmalar aktarılmıştır. Çalışmada yapılan sediment savağı deneyleri, temel fiziksel büyüklüklerin ölçeğinin belirlenmesini de kapsayacak şekilde deneye hazırlık sürecinden başlayarak ve deney sonuçlarından da kısaca bahsedilerek irdelenmiştir. Deneye hazırlık kısmında model/prototip ölçeklerinin belirlenmesi, deney alanının tespit edilmesi ve modelde kullanılacak malzeme seçimi gibi olgular aktarılmıştır. Çalışma esas olarak deneyler sırasında elde edilen verilerin analizidir. İlk olarak, analizlerin temelini oluşturan mekanik bulgular paylaşılmış konunun fiziği ve temel denklemler ifade edilmiştir. Deney sırasında ilgili rezervuar alanı üç boyutta 9x5x5m olarak gridlenmiş, üç farklı yönde de ölçülen hız değerleri, toplamda beş farklı seviyede ve 225 farklı noktada x, y ve z hızları olarak adlandırılmak suretiyle ölçülmüştü. Analiz, zaman serileri biçiminde olan hız-zaman serileri kullanılarak başlar ve ileriki aşamalara geçer. Hız-zaman serileri, ortalama hız değerlerini ve ardından her nokta için analizi daha anlamlı kılmak adına kritik kayma hızı değeri ve türbülans çalkantı bileşenleri kullanılarak boyutsuz kayma gerilme değerleri bulunmuştur. Bu boyutsuz gerilmelerin her bir kotta yani 5 farklı seviyede eş-gerilme eğrileri SURFER adlı programda oluşturulmuştur. Bu çalışma, boyutlu büyüklüklerle yapılsa idi çok anlamlı olmayabilirdi. Bir başka deyişle, boyutlu değerler büyüklüğe bağlıyken boyutsuzlar değildir ve farklı ölçekteki benzer senaryolar için de geçerli olabilirler. Analiz kapsamında eş-gerilme eğrilerinin yanında başka görsellere de yer verilmiştir. Deneylerden elde edilen üç yöndeki akım hız vektörleri her bir kot için 2B olarak çizdirilmiş; bileşke hız vektörlerinin büyüklükleri irdelenmiştir. Bunun yanında, vektörlerin yönünün sediment savaklarına doğru olup olmadığı da bu vektör çizimi ile anlaşılmıştır. Vektörlerin üç boyutta bileşkesi de alınarak elde edilen vektörler 3B olarak yine MATLAB kullanılarak çizdirilmiştir. Bu görseller, rezervuardaki akımın karakteristiğini, türbülans çalkantı bileşenlerini, kayma gerilmelerini ve dolayısıyla yıkama sırasındaki türbülans etkisini anlamada temel oluşturmuştur. Analize başlarken boyut analizi yapılmış, hadiseye etki eden parametreler paylaşılmıştır. Analiz sonuçlarından sonra, bu alanda çalışan diğer bilim insanları tarafından önerilen, rezervuarda yıkama işleminden sonra gelişen oyulma konisi hacmini ve uzunluğunu tespit etmek amacıyla kullanılmış denklemler çalışmamız kapsamında incelenmiş, laboratuvarda elde edilen oyulma hacim ve uzunluk değerleri ile karşılaştırılmıştır. Shields kriteri kullanılarak kayma gerilmeleri ile sediment çapı arasında bağ kurulabilmiş rezervuardaki hareket ettirilebilecek dane çapı tespit edilmiştir. Shields' parametresinin kayma gerilmesinin bir fonksiyonu olmasından dolayı sediment birikiminin nerede olacağını ve hangi bölgenin ne kadar büyüklükte bir sediment hareketine izin verdiğini bilmek mümkündür. Dahası, bu alanda çalışan diğer bilim insanları tarafından önerilen, rezervuarda yıkama işleminden sonra gelişen oyulma konisi hacmini ve uzunluğunu tespit etmek amacıyla kullanılmış denklemler çalışmamız kapsamında incelenmiş, laboratuvarda elde edilen oyulma hacim ve uzunluk değerleri ile karşılaştırılmıştır. En son kısımda ise hâlihazırda yapılmış olan deneylerin verileri ışığında gerçekleştirilen bu analiz serisinin sonuçlarından bahsedilmiştir. Çalışmanın sonucunda elde edilen bilgiler ve öneriler sunulmuştur. Sonuç olarak, yapılan çalışmanın benzerlerine göre daha kompleks bir geometride yıkama işlemini değerlendiriyor oluşu gerçeğine rağmen çalışma kapsamında, analiz kısmında görülecek olan belli başlı fiziksel büyüklükleri hesaplamak için önerilen denklemler ile uyumlu sonuçlara varılmıştır. Ayrıca, basınçlı akım ile yıkama işlemi hakkında elde edilen genel kanılar paylaşılmıştır. Yapılan deneyler bu çalışmadan yıllar önce yapılmış olup bu çalışma kapsamında değildir.
Özet (Çeviri)
Determination of reservoir capacity has been always a significant part of the dam design process. A reservoir's capacity is calculated by using some certain methods such as Mass Curve Analysis, Sequent Peak Analysis and Operation Study. A prospective dead storage volume is also calculated by estimating the annual sediment yield utilizing some empirical formulas and then by predicting of trap efficiency, which is defined as the retained inflowing sediment of the reservoir in percentage. Trap efficiency may be also identified as a function of the ratio of the reservoir capacity to total inflow. Because of the fact that sediment accumulation is difficult to predict since the accumulation in general can vary from low amounts to large ones depending on the magnitude of the inflow to the reservoir, the calculated dead storage values might not reflect the real amounts faced in future. That sort of mistaken predictions brings about losing large amount of money as the dam cannot be run in the estimated capacity due to the unexpected sediment quantity. To regain the capacity of reservoir, some techniques are applied such as sluicing, syphoning and dredging and flushing which is the most common technique used across the world. Moreover, a few irregularities in operation of the whole river basin cause unexpected amounts of sediment accumulation. For instance, disrupting the basin planning by commencing a dam's construction before another, whose construction should have been primarily started is one of these irregularities. In our case, the problem faced is out of a similar disruption. Laleli, İspir and Güllübağ dams were planned to be built on the main branch of the Çoruh river which is one of the fastest rivers in the world by discharge volume. Even though its discharge volume is variable year by year, it usually has an average discharge volume over 200 m3 /s. All these three dams play a key role in the regulation of both water potential and sediment accumulation in Çoruh basin. In this context, Laleli, İspir and then Güllübağ dams respectively should have been turned into investment. Yet, due to some financial reasons, it was decided to commence Güllübağ Dam's construction and accordingly preparation of the project's shop drawings. The dam has been designed as a RCC dam having three capped spillways, a water intake structure for the energy tunnel and two orifice spillways on the body. Additionally, it was considered that until the completion of Laleli and İspir dams, the sediment amount accumulated in the reservoir would exceed the Güllübağ Dam's dead storage volume with ease and designing two large capacity sluice gates is a must-done step. The fact that the entire volume of the reservoir is already 15 million m3 shows the necessity of this consideration. In this regard, the designer had asked for hydraulics model experiments in order to determine the project criteria in detail. Thus, a series of experiments was conducted to obtain including not only experiments on the spillways but also on the sediment sluice gates/sluice gates, which is the part what this study focuses on. The study is basically the analysis of the data obtained during the experiments. Firstly, the related reservoir area is gridded as 9x5x5m in three dimensions, the velocity values measured in three directions, x, y and z on 225 different grid points in total at five different levels, so each level has its own 45 measurement points. The velocity data is inherently in the form of time series and the analysis consists of several phases beginning with using these time series. Velocity time series have allowed us to calculate the average velocity values and then the turbulent fluctuation components for each point. Afterwards, non-dimensional turbulent shear stresses have been found by the fluctuation components to lead up to do the analysis in a more convenient way because the analysis would not mean much if those values were dimensional. In other saying, dimensional values depend on the magnitude whereas the non-dimensional ones do not. Within the scope of the analysis, a few visualization works are prepared as well. The resultant vectors of average velocities are plotted in 2D and 3D by using MATLAB just like the first steps of analysis, in order to observe the vectors' directional trend and to see whether the vectors move into the sluice gates. Besides, the non-dimensional shear stress values are plotted in 2D as contour maps in the software called Surfer in order to detect the most-stressed zones and subsequently the stress values and contour maps are together examined to be associated with the grain diameter by the Shields parameter; by this way, it is possible to know where the sediment accumulation will likely occur and which zone permits how large sediment to move since it is a function of the shear stresses. Moreover, an approach suggested by other scientists who worked in the related field, the scour cone volume and length, which develops after flushing is used to see whether the approach is comparable with the laboratory data. Finally, the conclusions and recommendations are shared in the last chapter. Besides, the mentioned series of experiments done years ago are not a part of this study
Benzer Tezler
- Rüzgar tarlası verisi kullanılarak analitik rüzgar türbin izi modellerinin performanslarının değerlendirilmesi
Evaluation of performances of analytical wind turbine wake models using wind farm data
TARIK KAYTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması
Investigating the effect of impinging jet and rib usage on the cooling performance of the channel surface
ORHAN YALÇINKAYA
- Saatlik ve aylık rüzgar verisiyle rüzgar enerjisi modellemesi
Modeling wind energy using hourly and monthly wind data
FERDİ TÜRKSOY
Doktora
Türkçe
1997
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAFER ASLAN
- Computational analyses of die-embedded microchannels for high electron mobility transistors considering thermal, hydrodynamic and structural behavior
Yüksek elektron mobiliteli transistorlara uygulanmış gömülü mikrokanal yapılarının ısıl, hidrodinamik ve yapısal davranışlarının hesaplamalı analizleri
ORÇUN YILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Vorteks borusundaki türbülanslı dönmeli akışın çok pozisyonlu sıcak tel yöntemi ile incelenmesi
The study of turbulent swirling flows in vortex tubes by multiposition hot-wire technique
MEHMET KAYA
Doktora
Türkçe
2005
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MEHMET YILMAZ