Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 763383
  2. Yazar: ERYILMAZ ERDOG
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORAL YAĞCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 202

Özet

Silindir tipi kazıklar, açık deniz rüzgar çiftlikleri, köprü ayakları ve kazıklı dalgakıranlar gibi çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. İklim değişikliği sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının daha fazla önem kazanmasıyla, açık deniz rüzgar türbinlerinin kullanımı ciddi anlamda artmıştır. Benzer şekilde, kazıklı yapıların kıyı eko-morfolojisine çok daha az zarar vermesi, bu tıp yapılara olan ilgiyi arttırmıştır. Örneğin, keson tipi ve taş dolgu tipi dalgakıranlar yerine, kazıklı dalgakıranların kıyı ekosistemine daha az etkisi vardır. Deniz ve nehir ortamında, kazık tipi yapıların oyulma ve sürüklenme kuvveti açısından detaylı olarak incelenmesi sağlıklı bir dizayn süreci için elzemdir. Literatürde, kazık çevresindeki oyulmayı azaltmak için çok sayıda yöntem ve öneri bulunmaktadır. Anroşman, tetrapod, grup silindir kullanımı, silindir çevresine kuşak(collar) yapılması bunlara örnek olarak gösterilebilir. Son yıllarda, oyulma açısından avantajlarına ek olarak, düşük maliyeti ve uygulama kolaylıkları gibi sebeplerle grup silindirlerin önemi bir çok çalışma tarafından gösterilmiştir. Özetle, tekil bir silindir yerine aynı en kesit alanına sahip bir grup silindirin kullanımı, araştırmacılar tarafından tercih edilir bir opsiyon olarak tanımlanmıştır. Çin'de inşaa edilen Dunghai Açık Deniz Rüzgar Çiftliği, grup silindirlerin gerçek hayat uygulamalarına bir örnek olarak gösterilebilir. Henüz gelişmekte olan bir alan olarak grup silindirlerle ilgili yeni çalışmalar yapılması gereklidir. Gerek tekil silindirler gerek grup silindirler olsun, bu yapılar doğada sürekli değişken akım koşulları altında bulunmaktadırlar. Fakat, güncel literatür incelendiğinde, bu yapıların çok büyük bir çoğunlukla permanan akım altında olduğu durumlar araştırılmıştır. Değişken akım koşulundaki araştırmalar ise sadece salınımlı akım ile kısıtlı kalmış olup, değişken ve tedrici değişken akımlar ile ilgili çalışmalar önemli ölçüde azdır. Lakin, tedrici değişken akımların tsunamiler, gelgit akımları ve nehir hidrografları gibi birçok örneği vardır. Bu bağlamda, grup silindirlerin tedrici değişken akımlar altında incelenmesi çalışmanın kapsamını oluşturmaktadır. Tez kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvar'ında bir dizi deneyler düzenlemiştir. Deneyler 30 metre boyunda, 1 metre genişliğinde ve 1.25 derinliğinde bir kanalda gerçekleştirilmiştir. Kanalın tabanı beton, yan duvarlar ile pleksiglas olarak inşaa edilmiştir. Bir pompa yardımıyla, mansaptan çıkan suyun yeniden menbaya iletilmesiyle devirdaim ettirilerek akış gerçekleştirilmiştir. Pompaya bağlı bir kontrol ünitesi ile, akış hızı anlık olarak istenilen miktarda değiştirilebilmektedir. Bu sayede, istenilen akış hidrografi güvenilir bir şekilde tekrar tekrar üretilebilmiştir. Burada vurgulanması gereken önemli bir nokta, değişken akımın derinlik sabit tutularak gerçekleştirildiğir. Tüm deneyler boyunca, su derinliği 30 cm olarak sabit tutulmuştur, bu sayede sadece akımın ivmelenmesi ile ilgili değişkenlik etkileri gözlenmiş, derinlik artışının etkileri elimine edilmiştir. Deneyler kapsamında, değişken akıma ek olarak, kıyaslama noktası oluşturmak amacıyla permanan akım deneyleri de gerçekleştirilmiştir. Hidrograf süresi 90 saniye ve 120 saniye olmak üzere, iki var değişken akım oluşturulmuştur. Fakat, bu iki hidrografın minimum ve maksimum hızları, 0.04 m/s ve 0.23 m/s olmak üzere, birebir aynı tutulmuş, bu sayede sadece süreyi değiştirerek iki farklı tipte değişkenlik katsayısına sahip hidrograf oluşturularak değişkenlik katsayısının akım karakteristiklerine etkisini incelemek hedeflenmiştir. Toplamda 1 permanan, 2 değişken olmak üzere 3 tıp akım kullanılmıştır. Yapı olarak, Altıgen Dizilimli dairesel silindir grubu (HACC) kullanılmıştır. HACC 16 cm dış çapa sahip olup, 7 adet 3.4 cm çapında silindirden oluşmaktadır. HACC'in toplam enkesit alanı 63.59 cm2'dir ve bu bağlamda 9 cm çapında bir tekil silindirin eşleniği olarak düşünülebilir. Poroz bir yapı olarak HACC 0.32 katı hacim oranına sahiptir. HACC'in düzenli(regular) ve çapraz(staggered) olarak 2 farklı yönelimi deneyler kapsamında kullanılmıştır. Düzenli HACC'in blokaj oranı 1 iken, çapraz yönelim için bu oran 0.712'dir. Blokaj oranları arasındaki bu fark ile, yapının arasından geçen sızan akım'ın(bleed flow) değişken akım etkilerini ne şekilde değiştireceğini gözlemlemek amaçlanmıştır. Silindir menba'dan 12 metre ileride, kanalın yanal olarak ortasına yerleştirilmiştir. Türbülans ve ortalama akım yapılarını incelemek üzere hız ve su derinliği ölçümleri yapılmıştır. Su derinliği ölçümleri, 2 adet direnç tipi seviye ölçer ile gerçekleştirilmiştir. Seviye ölçerlerden biri HACC'in 2.5 m menba tarafına, diğeri ise 2.5 mansap tarafına yerleştirilmiştir. Arasında 5 metre olan 2 seviye ölçer ile anlık olarak su derinliği ve su yüzeyi eğimi ölçümü gerçekleştirilmiştir. Bununla eş zamanlı olarak, akustik doppler hız ölçer (ADV) ile hız ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Hız ve seviye ölçerlerin frekansları 100 HZ olarak belirlenmiştir. Hız ölçümleri dikey ve yatay kesitlerde, hem mansap hem menba kısmında gerçekleştirilmiştir. Yatay kesitte 140, dikey kesitte 150 olmak üzere toplamda 290 adet noktada detaylı bir hız ölçüm prosedürü uygulanmıştır. Türbülans karakterlerini detaylıca gözlemleyebilmek adına HACC'in hemen yakınında ve dikey kesitte taban yakınlarında ölçüm noktası sıklığı arttırılmıştır. Ölçümler tamamlandıktan sonra veri analizi aşamasına geçilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak hız ölçümlerindeki kirli verilerin ayıklanması işlemi gerçekleştirilmiştir. Literatürde sıklıkla kullanılan bir algoritma ile veri ayıklama işlemi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Sonra, verilerin senkronizasyonu aşamasına geçilmiştir. Burada ilk olarak hız ve seviye ölçümleri arasında senkronizasyon gerçekleştirilmiştir. Ölçümlerin bilgisayar saati verileri kullanılarak hız ve seviye ölçüm verileri senkronize edilmiştir. İkinci aşamada ise farklı zamanlarda yapılmış olan hız ölçümlerinin senkronize edilmesine geçilmiştir. Bunun için su yüzeyi eğimi ölçümleri kıyaslama noktası olarak kullanılmıştır. Tüm deneyler için su seviyesi ölçümleri sabit bir değişken olduğu için, su eğiminin pik noktası senkronizasyon için eşleştirme noktası olarak seçilmiştir. Bu referans noktasını temel alarak, tüm ölçümler eş zamanlı hale getirilmiştir. Veri analizinin son aşamasında Reynolds ortalama akım hızları ve türbülans çalkantı bileşenlerinin ayrılması işlemi gerçekleştirilmiştir. Bunun için, bir hareketli ortalama yönetimi olan Savitsky-Golay algoritması kullanılmıştır. Uygulanan bu yöntem ile reynolds ortalama akım hızları, türbülans çalkantı bileşenleri, reynolds gerilmeleri ve türbülans kinetik enerjisi değerleri elde edilerek analiz süreci tamamlanmıştır. Analiz MATLAB paket programında gerçekleştirilmiştir. Veriler incelendiğinde çeşitli önemli bulgulara rastlanmıştır. Hidrografın alçalma eğrisi sırasında HACC'in ardında görülen çalkantı bölgesin yükselme eğrisine kıyasla çok daha belirgin olduğu görülmüştür. Ayrıca, silindirin iz bölgesi ile sıkışma bölgesi arasındaki hız farkının, alçalma eğrisi döneminde çok daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Bunların sebebi olarak alçalma eğrisi döneminde meydana gelen ters yönlü basınç gradyanı dolayısıyla, sınır tabakası ayrılmasının daha erken gerçekleşmesi ve iz bölgesinin genişlemesi öngörülmektedir. Türbülans kinetik enerjisi ile ortalama akım hızı arasında hem silindirli hem de silindirsiz deneylerde histerik davranış tespit edilmiştir. Aynı akım hızı için, alçalma eğrisi döneminde yükselme dönemine kıyasla belirgin ölçüde daha yüksek türbülans gözlemlenmiştir. Ayrıca, alçalma ve yükselme dönemi arasındaki bu farkın silindirden mansaba doğru uzaklaştıkça daha da belirgin hale geldiği gözlemlenmiştir. Türbülans ve ortalama akım arasındaki histerinin düzenli HACC için, çapraz HACC'e kıyasla azaldığı tespit edilmiştir. Yani, histeri mevcut olsa dahi şiddetinin daha az olduğu görülmüştür. Bunun sebebinin olarak düzenli HACC koşullarında meydana gelen yüksek hızlı sızan akım (bleed flow) jetleri olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, permanan akım ile değişken arasında kıyaslama yapılmıştır. Burada kıyaslama yapabilmek için, değişken akımın maksimum hız anındaki durumu ile permanan akım karşılaştırılmış, bu sayede aynı hıza ait iki an tetkik edilmiştir. Bu kıyaslarda, permanan akım durumunda silinidir arkasındaki iz bölgesinin, değişken akıma göre daha geniş olduğu ve permanan akım koşullarında daha yüksek türbülans oluştuğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, değişken akım koşullarında akımın daha hidrodinamik davrandığı gözlemlenmiştir. Elde edilen bulguların anlamlı olup olmadığının teyidi için model analizi gerçekleştirilmiştir. Deney kapsamında kullanılan 16 cm'lik modele göre , 6 metrelik bir açık deniz kazığı prototip olarak alınmıştır. Deney ve prototip arasında Froude ve Strouhal benzeşimleri sağlanarak, deney koşullarının sıklıkla rastlanan mühendislik koşullarında olduğu gösterilmiştir. Model ölçülerinin uygun aralıkta olduğu belirlenmiştir.

Özet (Çeviri)

In recent studies, it has been witnessed that a group of cylinders offer some distinct advantages compared to mono-pile when applied as a support structure in marine and riverine environments. It is well established that an array of cylinders presents a viable option to a single solid cylinder with lower cost, lower scour and contraction effects. Donghai Bridge offshore wind farm in China is a practical real-world example where this type of structures are of significant importance as an offshore wind turbine support structure. In the pertinent literature, an overwhelming majority of flow-body interaction investigations are studied under steady flow conditions. Furthermore, researchers mainly focus on oscillatory flow when dealing with unsteady flow and using steady state approximation for gradually varying unsteady flows. Yet, several flow conditions observed in nature such as tsunamis, meteorology driven flows, tidal currents and river hydrographs fall into the category of gradually varying unsteady flow. In this thesis, the influence of gradually varying unsteady flow around a group of cylinders (Hexagonal arrays of Circular Cylinders, HACCs) was investigated by flume experiments. The experiments are carried out in a rectangular flume with dimension 30 m in length, 1 m in width and 1.25 in depth. The bed was smooth concrete and the sides were plexiglass walls. A honey-comb pattern was used at the inlet to ensure smooth inlet conditions. The water was recirculated through a monobloc pump and the water depth was kept constant at 30 cm through entire experiments. The flow discharge is controlled via an inverter system. By entering the desired input through the pump's control unit, unsteady and steady flow conditions are repeatedly and reliably produced. Two unsteady flow cases generated with same minimum and maximum velocities, but different durations in order to investigate the effect of unsteadiness degree. The flow velocity started at 0.04 m/s and increased to a peak of 0.23 m/s. One steady case had the duration of 90 seconds, the other had 120 seconds. Same experiments also carried out under steady flow conditions for benchmarking purposes. Velocity and water depth measurements were taken with a frequency of 100 Hz. Two resistance type level meters are used, one located 2.5 meters upstream the other downstream with the same distance. Instantaneous recording of water depth and water surface are carried out. Simultaneously, velocity measurements are collected with the help of an Acoustic Doppler Velocimeter. Velocity measurements are taken at both horizontal and vertical planes. In total, 290 measurement points were utilized, 140 points at horizontal plan and 150 points at vertical plan. The resolution of the measurement grid is increased near the obstacle in order to capture turbulence characteristics. The obstacle, HACC, consisted of 7 circular cylinders with a diameter of 3.4 cm. The circumambient diameter of the HACC was 16 cm and the solid volume fraction was 0.32. The HACC placed 12 m from the inlet to ensure fully developed flow conditions. Two arrangements of HACC, namely staggered and regular arrangement, in order to investigate the effect of obstacle orientation. In brief, three flow cases (steady, unsteady 90 seconds, unsteady 120 cases) and two HACC configurations are used. In total, 6 experimental runs are performed. Each experimental run consisted of 290 velocity measurement points. The analysis of collected data is started with the despiking of the raw data. The spikes in the velocity measurements are removed with a method widely used in the literature. Then the synchronization procedure is carried out. Velocity and water depth measurements are synchronized through their computer time recording. 290 velocity measurements that are recorded at different times are synchronized by the help of water surface slope measurements. Since water depth measurements are kept constant through all experiments, they are used as a benchmarking point. Finally, turbulence decomposition is done, turbulent and mean flow recordings are obtained to carry out post-processing. Experimental findings resulted in several significant conclusions. It is found that velocity deficit between wake and contraction region exhibits a hysterical character between rising and falling stages. The negative water surface slope is observed during the falling stage of the unsteady flow. This adverse pressure gradient causes earlier boundary layer separation and broader wake region. This leads to a stark shear layer rear the obstacle and higher lateral momentum transfer. During the passage of unsteady flow, counter-clockwise hysteresis is observed between depth-averaged velocity and turbulence kinetic energy. This means that for a given velocity, the falling stage produces higher turbulence compared to the rising stage. This effect was observable irrespective of the HACC arrangement. Furthermore, it was also observed that this hysterical relationship becomes more evident further downstream. The arrangement of HACC is also observed to be of importance in terms of hysteresis. It is observed that hysterical loops are less dramatic for the regular HACC. The hysteresis is mitigated by the strong bleed jets that occur in the wake region of regular HACC. It is known that due to the particular geometry of regular HACC, a significant amount of flow can go through the obstacle and create bleed flow which highly influences wake characteristics in terms of stabilizing the wake and controlling mixing process. It was concluded that the amplified bleed jets are the primary reason behind the suppressed hysterical behaviour. Another critical point that is outlined is the effect of unsteadiness on pile behaviour in terms of flow-body interaction. The pile is observed to render the pile to behave in a more streamlined manner. For a given velocity, the unsteady cases produced smaller recirculation compared to the steady case. The recirculation zone is also observed to be larger during the falling stage compared to the rising stage. Yet, this effect also seems to be less pronounced for the regular arrangement of HACC. The strong bleed jets are presumed to weaken this behaviour.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    576712

    The role of taxation in European Union Sovereign debt crisis

    Vergilendirmenin Avrupa Birliği kamu borçları krizi üzerindeki etkisi

    SEMİHA ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EkonomiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Avrupa Çalışmaları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜL İPEK TUNÇ

  2. Tez No

    405046

    Serbest yüzeyli akımlarda değişkenlik derecesinin hidrolik karakteristikler üzerine etkisinin sayısal modelleme ile belirlenmesi

    The influence of unsteadiness degree on hydraulic characteristics in free surface flow via numerical modeling

    MEHMET BUĞRA BAYKUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA

  3. Tez No

    356137

    The influence of unsteadiness degree on hydraulic characteristics in open channel flow

    Açık kanal akımlarında kararsızlık derecesinin hidrolik karakteristikler üzerine etkisi

    ERYILMAZ ERDOG

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ORAL YAĞCI

  4. Tez No

    781753

    TiO2 ince filmlerin memristiv davranışı ve akım iletim mekanizmalarının büyütme şartlarına bağlı olarak incelenmesi

    Memristive behavior of TiO2 thin films and investigation of current conduction mechanisms depending on growth conditions

    MELİK GÜL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mühendislik BilimleriAtatürk Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN EFEOĞLU

  5. Tez No

    486548

    Havalimanı yolcu terminallerinde mekansal deneyim haritalaması: Bir yolculuk, iki havalimanı

    Spatial experience mapping of airport passenger terminals: One journey, two airports

    TUĞBA YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SAİT ALİ KÖKNAR

Geri Dön