Numerical modelling of waves and current acting on piles
Dalgaların sayısal modellenmesi ve kazık üzerindeki akımetkileri
- Tez No: 810602
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ BAYRAKTAR BURAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deniz Bilimleri, Marine Science
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 63
Özet
Dalga ve akıntıya maruz kalan kazık yapılarının uygulanan kuvvetlerini hesaplamak, açık deniz endüstrisinde önem kazanan bir konudur. Bu yapılar yüksek maliyetli olduğundan, tüm sonuçları değerlendirmeden önce dikkatli bir şekilde analiz edilmelidir. Tasarımcılar için fiziksel modeller, tasarımlarını optimize etmelerine yardımcı olurken, maliyet ve zaman açısından kısıtlayıcı olabilir. Bu nedenle, sayısal modellerin kullanımı önemli bir avantaj sağlar. Sayısal modeller, karmaşık yapıların tasarımında esneklik sunarken, doğrulukları fiziksel deneylerle uyumlu olmalıdır. Bu çalışmada, düz bir zeminde yer alan bir kazığın dalgalara maruz kalan etkilerini sayısal olarak modellendi. REEF3D adlı açık kaynak hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodunu kullanarak bu sayısal modeller çözüldü. Ayrıca, en uygun ağ boyutunu belirlemek için bir ağ-yakınsama çalışması gerçekleştirildi. Optimal ağ boyutunu kullanarak dalga ve akıntı çalışma örneklerinin sayısal modelleri oluşturuldu ve sonuçlar deneysel verilerle ve analitik sonuçlarla karşılaştırıldı. Dalga ve akıntının etkidiği kazık yapılarda sayısal modelin deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu gözlemlendi. İlk olarak doğrulama yapılabilmesi için iki test senaryosu oluşturuldu. Bu senaryoların ilkinde sadece akıntı etkileri gönlemlendi. Bu akıntı etkileri daha önceden yapılmış fiziksel deney sonuçlarıyla karşılaştırıldı. Bu karşılaştırmada bazı gözlem noktaları kullanıldı. Bu gözlem noktaları tekli kazığın belirli uzaklarına tabana dik olarak yerleştirildi. Gözlem noktalarından elde edilen hız bilgileri REEF3D ile modellenen sayılsal model sonuçlarıyla karşılaştırıldı ve hız profilleri çıkartırldı. Çıkartılan bu hız profilleri fiziksel deney sonuçları ve sayısal model sonuçlarıyla uyumlu çıktı. İkinci doğrulama senaryosunda sadece dalga etkileri gözlemlendi. Sabit çaplı bir silindir üzerine etki eden dalga kuvvetleri incelendi. Sayısal modeller kuruldu ve sonuçları alındı. Bu sonuçlar Morison denklemi sonuçlarıyla karşılaştırıldı ve sonuçların tutarlı olduğu görüldü. İki doğrulama senaryosu da yapıldıktan sonra artık REEF3D programı ile hem dalga hemde akıntı kuvvetlerinin doğru bir şekilde modellenebileceği ortaya koyulmuş oldu. Bu adımdan sonra sekiz farklı senaryoda dört farklı kazık tipi üzerine etki eden kuvvetler incelendi. Difraksiyon etkilerinin anlaşılması için sekiz senaryonun yarısı difraksiyon etkilerinin önemli sayıldığı parametrelerle oluşturuldu. Bu paremetrelerin başında kazık çapının değiştirilmesi vardır. Sekiz senaryodaki dört farklı kazıkların ilkinde sabit çaplı ve difraksiyon etkilerinin göz ardı edilebileceği seviyede bir kazık çapı seçildi. Sonrasında bu çap uygun oranlarda bir koni oluşturacak şekilde yeni bir kazık oluşturdu. Bu yeni koni şeklindeki xxii kazık üzerine etki eden dalga ve akıntı kuvvetleri hesaplandı. Hem sabit çaplı kazık hemde koni şeklindeki kazık üzerine etki eden kuvvetler Morison ve Beji denklemleri sonuçlarıyla karşılaştırıldı ve makul sonuçlar elde edildiği görüldü. Diğer yandan görece daha büyük bir çapa sahip kazık senaryoları olutşruldu ve bu kazık senaryolarında sabit çaplı ve koni şeklindeki kazıklar yeniden modellendi. Bütün sonuçların değerlendirilmesi yeniden yapıldı ve makul sonuçlar çıktığı görüldü. Bütün durumlar için ayrı ayrı ağ-yakınsama çalışması yapıldı. Ağ yakınsama çalışması için kaba bir örgü ağı boyutu seçildi ve git gide bu boyut küçültüldü. Bölece bir değere yakınsayıp yakınsamadığı görülmek istendi. Ağ-yakınsama çalışması sayesinde oluşturulan ağlar optimize edildi ve makul sonuçlar verebileceği öngörüldü. Çalışmalar sonunda karşılaştırılmış sonuçlar hem tablo halinde hemde grafik halinde sunuldu. Açık kaynaklı araçlar sayesinde elde edilen bu sonuçlar mühendislik problemlerine REEF3D ile çözüm üretebileceğimizi göstermiştir. Son aşamada, düz bir tabana yerleştirilmiş kazığa etkiyen farklı dalgaların ve akıntıların oluşturduğu kuvvetler analiz edildi. Bu çalışma sayesinde kazıklara etkiyen dalga veya akıntı kuvvetleri hesaplanmış olup, bundan sonraki çalışmalarda da hem dalga, hem akıntı kuvvetlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile hesaplanabileceğini ortaya koymuştur. Sayısal modellerin kullanımı, dalga ve akıntıya maruz kalan kazık yapılarının analizinde bir dönüm noktası olmuştur. Geleneksel fiziksel deneylerin sınırlamaları ve maliyetleri nedeniyle, sayısal modellerin esnekliği ve maliyet etkinliği büyük bir avantaj sağlamaktadır. REEF3D gibi açık kaynaklı hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodları, mühendislerin kazık yapılarının davranışını daha ayrıntılı bir şekilde incelemelerine olanak tanır. Bu çalışma, dalga ve akıntıya maruz kalan kazık yapılarının analizi için REEF3D'nin potansiyelini ortaya koymaktadır. Sayısal modeller kullanılarak kazık yapılarına etki eden kuvvetlerin doğru bir şekilde hesaplanabileceği gösterilmiştir. Bu da tasarımcıların kazıkların güvenliği ve dayanıklılığı konusunda daha iyi kararlar almasına yardımcı olur. Ayrıca, çalışmada yapılan doğrulama senaryoları ve analizler, sayısal modellerin deneysel verilerle ve analitik sonuçlarla uyumlu olduğunu göstermiştir. Bu da sayısal modellerin güvenilirliklerini ve doğruluklarını desteklemektedir. Çalışmanın sonuçları, dalga ve akıntıya maruz kalan kazık yapılarının tasarımında sayısal modellerin önemli bir araç olduğunu vurgulamaktadır. Tasarımcılar, bu modelleri kullanarak kazıkların davranışını daha iyi anlayabilir, optimize edebilir ve güvenli bir şekilde tasarlayabilirler. Gelecekte, daha karmaşık kazık yapıları ve farklı çevresel koşulların analizi için daha ileri düzeyde sayısal modellerin geliştirilmesi ve kullanılması beklenmektedir. Ayrıca, farklı açık kaynaklı araçların ve hesaplamalı yöntemlerin entegrasyonuyla daha kapsamlı ve doğru sonuçlar elde etmek mümkün olacaktır. Sonuç olarak, bu çalışma sayısal modellerin dalga ve akıntıya maruz kalan kazık yapılarının analizindeki önemini vurgulamakta ve REEF3D gibi araçların tasarımcılara önemli bir yardımcı olduğunu göstermektedir. Sayısal modeller, mühendislik uygulamalarında daha fazla kullanılmaya başlandıkça, kazık yapılarının tasarımı ve performansı konusundaki bilgimiz ve yeteneklerimiz önemli ölçüde artacaktır.
Özet (Çeviri)
Calculating the applied forces of pile structures exposed to waves and currents is an important issue in the offshore industry. Because these constructs are costly, they must be carefully analyzed before evaluating all results. For designers, physical models can be cost and time constraining while helping them optimize their designs. Therefore, the use of numerical models provides a significant advantage. While numerical models offer flexibility in the design of complex structures, their accuracy must be compatible with physical experiments. In this study, the effects of a pile on a flat ground subjected to waves were numerically modeled. These numerical models were solved using the open-source computational fluid dynamics code called REEF3D. In addition, a mesh-convergence study was performed to determine the optimal mesh size. Numerical models of wave and current study samples were constructed using the optimal mesh size and the results were compared with experimental data and analytical results. It was observed that the numerical model was compatible with the experimental results in pile structures affected by waves and currents. First, two test scenarios were created for validation. In the first of these scenarios, only current effects were observed. These current effects were compared with the results of previous physical experiments. Some observation points were used in this comparison. These observation points were placed at certain distances from the single pile perpendicular to the base. The velocity information obtained from the observation points was compared with the numerical model results modeled with REEF3D and velocity profiles were obtained. These velocity profiles were found to be compatible with the results of the physical experiment and the numerical model. In the second verification scenario, only wave effects were observed. Wave forces acting on a fixed diameter cylinder were investigated. Numerical models were established and the results were obtained. These results were compared with the Morison equation results and the results were found to be consistent. After both verification scenarios were made, it was revealed that both wave and current forces can be modeled correctly with the REEF3D program. After this step, the forces acting on four different pile types in eight different scenarios were examined. To understand the diffraction effects, half of the eight scenarios were constructed with parameters where diffraction effects were considered important. At the beginning of these parameters is the change of the pile diameter. In the first of four different piles in eight scenarios, a pile diameter with a constant diameter and such that diffraction effects can be ignored was chosen. A new pile of this diameter was then created to create a cone of appropriate proportions. Wave and current forces acting on this new cone-shaped pile were calculated. The forces acting on both the fixed diameter pile and the cone shaped pile were compared with the results of the Morison and Beji equations and it was seen that reasonable results were obtained. On the other hand, pile scenarios with relatively larger diameters were created and fixed diameter and cone-shaped piles were remodeled in these pile scenarios. Evaluation of all results was re-evaluated and reasonable results were found. A separate mesh-convergence study was performed for all cases. For the mesh convergence study, a coarse mesh size was chosen and gradually reduced. It was desired to see whether it converged to such a value or not. The mesh created by the meshconvergence study were optimized and it was predicted that it could yield reasonable results. At the end of the studies, the compared results were presented both in tabular form and graphically. These results, obtained thanks to open-source tools, showed that we can produce solutions to engineering problems with REEF3D. In the final case, the forces generated by different waves and currents acting on the pile placed on a flat base were analyzed. Thanks to this study, wave or current forces acting on the piles were calculated, and further studies revealed that both wave and current forces could be calculated by computational fluid dynamics method. The use of numerical models has been a turning point in the analysis of pile structures exposed to waves and currents. Due to the limitations and costs of traditional physical experiments, the flexibility and cost-effectiveness of numerical models provide a great advantage. Open-source computational fluid dynamics codes such as REEF3D allow engineers to further examine the behavior of pile structures. This study demonstrates the potential of REEF3D for the analysis of pile structures exposed to waves and currents. It has been shown that the forces acting on the pile structures can be accurately calculated using numerical models. This helps designers make better decisions about the safety and durability of piles. In addition, the validation scenarios and analyzes performed in the study showed that the numerical models are compatible with the experimental data and analytical results. This supports the reliability and accuracy of the numerical models. The results of the study emphasize that numerical models are an important tool in the design of pile structures exposed to waves and currents. Using these models, designers can better understand, optimize, and safely design the behavior of piles. In the future, more advanced numerical models are expected to be developed and used for the analysis of more complex pile structures and different environmental conditions. Moreover, it will be possible to obtain more comprehensive and accurate results by integrating different open-source tools and computational methods.
Benzer Tezler
- Numerical modelling of complex channel systems
Kompleks kanal sistemlerinin nümerik modellenmesi
DAVUT KOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHidrolik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT KABDAŞLI
- Nokta soğurucu tipi dalga enerjisi dönüştürücüsü dizilerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of point absorber type wave energy converter arrays
İLKAY ÖZER ERSELCAN
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- MIKE 21 SW programı ve yapay sinir ağları yöntemi ile spektral dalga analizi
Spectral wave analysis of using MIKE 21 SW and artificial neural network (ANN)
FATMANUR AKDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Numerical modelling of microplastics transport in Mersin bay
Mersin körfezinde mikroplastik taşınımının sayısal modellemesi
EGEMEN ANDER BALAS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CEVDET YALÇINER