Geri Dön

Numerical modeling of wave overtopping in nearshore structures

Kıyıya yakın yapılarda dalga aşmasının sayısal modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 847537
  2. Yazar: HAMZA CHEIKH ALI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ BAYRAKTAR BURAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 65

Özet

Dalga aşma olayı, deniz bilimleri arasında en ünlü olgulardan biridir. Deniz mühendisleri bu olgunun özellikle iklim değişikliğinden etkilenmesi nedeniyle önem taşıdığını belirtiyorlar. Dalgalar batık bir yapıya çarptığında veya dalgalar dalgakıranla çarpıştığında ve dalganın yüksekliği dalgakırandan yüksek olduğunda dalganın bir kısmı yansıyacak ve bir kısmı da dalgakırandan geçecektir. Aşma olgusunun önemi emniyet riskleri, tasarım ve yönetim yönlerinden kaynaklanmaktadır. Aşırı yüklemeyi anlamak, mühendislere deniz duvarları gibi kıyı koruma yapılarının tasarım sürecinde ve rezervuar yönetiminin optimize edilmesinde yardımcı olur. Dalga aşması olayı, kıyıya yakın bir yapının arızasından kaynaklanabilir veya tesisin tasarımı buna izin verdiği için, bu konu çok zorlu ve karmaşıktır; bu mekanizmayı köşeye sıkıştıran daha fazla ayrıntıya sahip olmak, araştırmacılar ve mühendisler için her zaman çok önemli olmuştur. Kıyı ve kıyı yapılarının inşaat maliyetinin yüksek olması, bu kıyı yapılarının performansına ilişkin çalışma ve incelemelerin yapılması, olası sorun ve etkilere fayda ve maliyetler dikkate alınarak çözüm bulunması için daha fazla çaba gösterilmesini gerektirmektedir. Üstelik kıyı yapıları her zaman insanların can ve mallarının savunulması ve korunmasında büyük rol oynamıştir. Diğer taraftan küresel pazardaki en rekabetçi, temiz ve sürdürülebilir kaynaklar, okyanuslardan gelen sürdürülebilir enerji, dünyada var olan en potansiyel ve bol enerji kaynaklarından biri ve hala da en önemlilerinden biridir. Dalgakıranın farklı türleri vardır. Bu türlerin her birinin farklı çalışma şekli vardır ve çeşitli dalga koşullarındaki etkinliği farklıdır. Dalgakıranın tasarımındaki bazı parametreler, aşılma oranlarını etkileyebilir. Dalgakıran, sayısal modelleme veya deneysel testler ve dalga enerjisi dönüştürücüleri olarak dalgakıranın kullanıldığı gelişen teknolojiler kullanılarak taşma oranlarını tahmin etmek amacıyla boşaltma oranlarını en aza indirmek için farklı tasarım stratejileri kullanarak taşmayı yönetmek üzere inşa edilmiştir. Günümüzde kıyı yapılarının tasarımında dalgaların aştığı ortalama deşarj oranı esastır. Bu nedenle mühendisler dalgakıran gibi kıyı alanlarını tasarlarken dalgaların aşılması olayını önemli bir anahtar olarak görürler. Genellikle dalgakıran gibi kıyı yapıları, kıyı bölgelerindeki riski azaltmak ve izin verilen maksimum dalga taşma debisini önlemek amacıyla tasarlanmaktadır. Amaç altyapıyı ve sakinleri dalgalardan korumaksa, elektrik enerjisi üretmek için kıyıya yakın yapıları dalga enerjisi dönüştürücülerle entegre edildiginde tasarım farklı olacaktır. Bu alanda yazılan her araştırmanın amacı, aşma konusundaki bilgiyi genişletmekti; çünkü insanlık, aşma olgusundan yararlanabilir ve gelecekte dalga enerjisi, bugün var olan yenilenemeyen enerji kaynaklarıyla rekabet edebilecek potansiyele sahiptir. Bu nedenle, onunla ilgili her hususu geliştirmek için zaman, çaba ve para harcamak son derece önemli bir konudur. Bu araştırma, dalganın aşılmasının büyüklüğü ile yapı tasarımı, dalga teorisi ve türü ile ilgili faktörler arasındaki ilişkiyi kanıtlamayı amaçlamıştır. Ayrıca amaç, bu olgudan en iyi şekilde nasıl yararlanılabileceğini araştırmak ve onu tehlikeli bir olgudan sürdürülebilirlik ve temiz enerji üretimi açısından faydalı hale dönüştürmektir. Deniz duvarları ve dalgakıranlar gibi kıyıya yakın yapıların dalga enerjisi dönüştürücülerle entegre edilmesi, sürdürülebilir enerjinin üretilmesi potansiyel bir yaklaşımdır. Ancak dalga enerjisinin maliyetinin yüksek olması nedeniyle henüz ülkeler ve özel enerji üreten şirketler tarafından benimsenmemiş olması ve daha önce de belirtildiği gibi okyanuslardan elde edilen enerjinin yenilenebilir enerji dünyasında umut verici bir geleceği vardir. Yukarıdakilere ek olarak, Dalga Enerjisi Donusturucu'leri kıyı yapılarıyla entegre etmenin, enerji çıkarma yetenekleri sağlama, olumsuz çevresel etkiyi sınırlama, WEC cihazının güvenilirliğini artırma, ağır dalga koşullarında enerji çıkarmanın gerçekleşmesine izin verme, cihazların ömrünü uzatma gibi faydalarından bahsetmek çok önemlidir. Dalga enerjisi cihazının her türlü fırtınalı koşulda çalışması ve dayanması için ek güç sağlar. Dalga enerjisi dönüştürücülerinin tasarımları ve konseptleri büyük bir çeşitliliğe sahiptir, ancak tüm Dalga Enerjisi Dönüştürücüleri konum ve tip olmak üzere iki ana sınıflandırmaya ayrılır; konum kullanılarak yapılan sınıflandırma, kıyıya yakın, kıyı şeridi ve açık deniz cihazları olmak üzere üç ana bölüme ayrılabilir. Çalışma moduna ilişkin sınıflandırma üç türe ayrılmıştır: Zayıflatıcılar, nokta soğurucu ve sonlandırıcı. Çeşitli WEC türleri arasında, yüksek bakım maliyeti, yüksek inşaat maliyeti ve ızgara toplamanın zor olması nedeniyle, üstten geçme cihazları diğer birçok tür arasında en nadir kullanılanıdır. Genel olarak bakıldığında, okyanuslara ve denizlere kıyısı olan çoğu ülkenin, geleneksel enerji kaynaklarına bağımlı olmaları ya da bu yatırımların maliyetinin yüksek olması nedeniyle bu alana kapsamlı bir yatırım yapmaya başlamamış olmaları ve bu yatırımların maliyetinin yüksek olması nedeniyle, genel olarak henüz yeterince benimsenmemiştir. Dalgakıran ile entegre olan en son yeni ve ikna edici teknolojilerden biri olan aşılabilir dalga enerji dönüştürücüler halen geliştirilme ve araştırılma aşamasındadır, bu teknoloji henüz benimsenmemiştir, üstten dalgalanan dalga enerji dönüştürücü son 15 yıldır geliştirilme ve araştırılma aşamasındadır. Mevcut kıyıya yakın yapılarla birleşmeye tamamen uygun hale getirilmesi. OBREC, kaya dalga duvarının yeni veya modern versiyonu olarak sınıflandırılabilir. Bu tez, aşma oranı ile dalga yüksekliği, fribord ve yapı eğimi gibi parametreler arasındaki ilişkiyi de araştırmaktadır. Farklılık çeşitli parametrelerden dolayı ortaya çıkabilir. Ortalama aşma deşarjını etkileyen parametreler iki kategoriye ayrılabilir; birincisi dalga yüksekliği (H), diklik (s) gibi deniz durumu parametreleridir, dalga dikliği dalga yüksekliğinin dalga boyuna oranı olarak tanımlanırS=H_m0/L, periyot (T) ve su derinliği (h), ikinci olarak fribord tepesi R_c, kenar ve α geometrisinin açısı gibi yapısal parametreler. Ayrıca bu Çalışmada ağ boyutundan su kanalı boyutlarına, her yapının eğim açısına, fribord tepesine ve dalga yüksekliğine kadar sayısal ayrıntılar sunulmuştur. Ayrıca problemle ilgili denklemler Navier-Stokes denklemi, Stokes V denklemleri, süreklilik denklemi ve taşma debisi hesaplama denklemleri ele alınarak ifade edilmiştir. Aşırılık olayını çözmek için sayısal simülasyon ve deneysel analiz (fiziksel model testleri) gibi farklı yöntemler kullanılabilir. Bu tezde dalga aşımı sayısal olarak modellenmiştir. Sayısal yaklaşımı kullanmanın faydası, herhangi bir kısıtlama olmaksızın esnek çalışma sürecidir. Akışkan hareketinin korunum yasaları, kıyıya yakın yapılarla dalga çarpışmasının davranışını temsil edecek şekilde sayısal olarak çözülür. Simülasyon işlemi, STL dosyaları olarak tasarlanan yapılar kullanılarak OpenFOAM adı verilen açık kaynaklı bir hesaplama çerçevesi kullanılarak yapıldı. OpenFOAM klasörlerine eklenirler ve yapılar birleştirilir. Farklı yükseklikteki dalgalar uygulanarak aşılma debileri hesaplanır. Deşarj hızı Q'yu hesaplama işlemi, görselleştirme amaçlı Paraview adı verilen başka bir açık kaynaklı uygulama kullanılarak yapıldı. Simülasyonu 30 saniye boyunca görselleştirmek için Paraview kullanılır ve tepeyi aşan dalgalar hesaplanır. Bu araştırmada farklı dalga yükseklikleri, kret fribordları ve yapı diklikleri kullanılarak üç model test edilmiştir. Modelleme süresi 30 saniyedir. Tüm simülasyonlarda beşinci dereceden Stokes dalgaları kullanılmıştır. Her üç simülasyonda da dalgalar tepe noktalarına yaklaşık 10. saniyede ulaşmaktadır. Daha sonra dalgalar yapıyı aşmaya veya girişe geri yansımaya başlar. Ayrıca, tüm bilgileri topladıktan ve dalgaların etkisi altındaki kıyıya yakın yapıların üç farklı şeklini inceledikten sonra. Dalga aşma oranı ile açı yapısı arasındaki ilişkinin ters orantılı olduğu sonucuna varılmıştır. Üstten geçme oranı ve dalga yüksekliği, üstten geçme dengesi ile pozitif bir ilişkiye sahiptir ve üstten geçme oranı ile fribord arasında ters bir ilişki vardır, çünkü fribord, yapı ile tepe arasındaki dikey mesafedir. Bu nedenle, daha yüksek bir fribord aşırı yüklemeyi azaltacaktır. Elde edilen sonuçların doğruluğunu araştırmak amacıyla toplanan veriler benzer R_c/H_m0 değerine sahip diğer sayısal ve deneysel verilerle karşılaştırıldı. Sonuçları karşılaştırdıktan sonra nihai sonuçlara varılır. Ayrıca R_c/H_m0 üzerinden sonuçlarda belirgin bir fark ortaya çıkmakta ve yaklaşık olarak aynı olup, bu fark birçok araştırmacının belirttiği gibi sadece R_c/H_m0'dan değil, aşma oranını etkileyen parametre sayısından kaynaklanmaktadır. Ayrıca bazılarının da dikkate alınmaması gerekir. Öncelikle uygun bir dalgakıran konumunu elde etmek. İkinci olarak bazı ekstrem koşullar dalga yani ortalama dayanım dikkate alınmalıdır. Ayrıca, WEC konseptlerinin kıyıya yakın yapıları uygun şekilde uyması için geliştirilmiş gibi bazı tasarım seçenekleri ve ayrıca WEC tasarımı, entegrasyon uyumluluğu, ekonomik uygulanabilirlik ve son olarak kısıtlamalar hakkında yeterli bilgi gerektirir. Üstün bir alanda yapılan araştırmaların çalışmaları için hala daha fazla zamana ihtiyaç var ve birçok fikir, patent ve alternatif değişimli bir şekilde oluşturulup birleştirilen projelerine dönüştürülmesi gerekiyor. Bu alanın hassas olması ve iklim sıcaklığına bağlı olarak önemi her geçen gün aşırı olduğu için araştırma ve daha uzun süre bütçenin ne kadar önemli olduğu, çünkü temiz enerji tüketimi uygun maliyetle kullanım ve uzun süreli sürdürülebilirlik sorunudur. Bu dünyada yaşayan onun insanının hayatlarını bir konu. WEC'ler üzerine yapılan incelemeler, enerji kayıplarını en aza indirir, güvenilirliği, artışı ve enerji miktarının üretim artışı için yeni tanıtım gibi birçok noktada bir evrim marjına sahiptir. Ayrıca dalga enerjisi dönüştürücülerinin kıyıya yakın yapılarla daha fazla entegrasyon konseptleri geliştirilmelidir. Geliştirilmesi gereken en önemli husus ekonomik taraf ve inşaat, bakım ve işletme maliyetlerinin yüksek olması, başka bir deyişle watt başına maliyetin azalmasıdır, ayrıca WEC'lerin çok yönlülüğünün de bir evrim marjı vardır çünkü WEC'lerin izin verilebilirliğe sahip olması gerekir. açık deniz, kıyıya yakın ve kıyı şeritlerinde kuruludur. WEC'lerin elektrik ve elektrik üretiminin amaçlandığı yanı sıra, su ürünleri ürünlerini ve tuzdan arındırmak gibi diğer genel bilgilerle da kullanılabilmesi mümkündür. Son olarak, modellerin fiziksel deneylerinin karşılanmasının deneyimlenmesi önemli olacaktır. Gelecekteki araştırmalar, WEC'ler için en uygun tasarımları belirlemek amacıyla çok çeşitli dalga koşullarında kıyı tesisleriyle entegre farklı dalga enerji dönüştürmelerinin sunumunun incelenmesine de odaklanabilir.

Özet (Çeviri)

The phenomenon of wave overtopping is one of the most famous phenomena among marine science. Marine engineers are stating the importance of this phenomenon, especially since it is affected by climate change. Overtopping phenomenon happens when the waves collide with a submerged structure, or when waves collide with breakwater, and the height of the wave is higher than the breakwater, part of the wave will reflect and part of it will pass the breakwater. Overtopping phenomena may cause by a failure of a nearshore structure, or because the design of the facility allows it, this topic is a very challenging and complex, having more details cornering this mechanism was always crucial and expedient for researchers and engineers. Nearshore and coastal structures have a high construction cost, requiring more effort on studies and investigations on the performance of these costal structures, and to find solutions for the potential problems and impacts considering benefits and costs. Moreover, Costal structures and defines were always playing a major role in defending and protecting people's lives and properties, on the other hand, sustainable energy coming from the ocean one of the most potential and abundant energy sources exists in the world, and still one of the most competitive, clean and sustainable sources in the global market. Engineers while designing coastal areas like breakwater, consider wave overtopping phenomenon as a major key. Designing coastal areas according to their goal, the design will be different if the purpose is to protect infrastructure and residents from waves than to integrate nearshore structures with wave energy converters to produce electrical energy. The purpose of each research written in this field was to expand the knowledge about overtopping, because humanity can benefit from the overtopping phenomenon. Hence it is a crucial topic to spend time, effort, and money in developing every aspect related to it. This research aimed to prove the relationship between the magnitude of wave overtopping and the factors related to structure design and wave theory and type. Moreover, the purpose was to research how to best benefit from this phenomenon and transform it from a dangerous phenomenon to beneficial for sustainability and clean energy production. Integrating near-shore structures such as seawalls and breakwaters with wave energy converters is a potential approach for producing and generating sustainable energy. But, due to the high the cost of wave energy, it has not yet been adopted by countries and private energy producing companies, and as mentioned before, source of energy from the ocean has a promising future in the world of renewable energy, especially since water bodies constitute more than 70% of the total area of the Earth. In addition to the above, it is crucial to mention the benefits of integrating WECs with coastal structures, like providing energy extraction abilities, limits negative environmental impact, improving WECs device's reliability, allowing energy extraction to occur during heavy wave condition, improves devices lifetime and provides additional strength to wave energy device to operate and withstand any stormy conditions. Wave energy converters have a large variation in the designs and concepts, but all Waves Energy Converters fall into two main classifications, location, and type, the classify using location can be divided into to three main parts, nearshore, shoreline, and offshore devices, the classify regarding the mode of operation divided to three types, Attenuators, point absorber, and terminator. Of the varies types of WECs, overtopping devices are the most uncommon used from many other types, due to the high cost of maintenance, high cost concerning construction, and the difficult grid collection. In general, all WECs are not adopted enough yet, because most countries that have coasts on the oceans and seas have not begun to invest extensively in this field, due to their reliance on traditional energy sources or the high cost of these investments and because these projects are classified as long-term projects. Overtopping waves energy converters, is one of the latest new convincing technologies which is integrated with breakwater, is still under development and research, this technology has not been adopted yet, the overtopping breakwater wave energy converter was under development and investigation during the last 15 years to make it fully suitable to be merged with existing nearshore structures. OBREC can be classified as a new or modern version of the rock wave-wall. Additionally, this thesis investigates the relationship between overtopping rate and parameters such as wave height, freeboard, and structure slope. The difference may occur because of the several parameters. Parameters that affect the mean overtopping discharge can be characterized to two categories, firstly is the sea-state parameters such as wave height (H), steepness (s), wave steepness is defined as the ratio of wave height to wavelength 〖S=H〗_m0/L, period (T), and water depth (h), secondly the structural parameters, like crest freeboard R_c, brim, and angle of the geometry α. Moreover, numerical details were presented in this paper, from the mesh size to the water canal dimensions, the slope angle of each structure, the freeboard crest, and wave height. Additionally, the equations related to the problem were covered and expressed, the Navier-Stokes equation, the stokes V equations, as well as the continuity equation, and the equations for overtopping discharge calculations. To solve the overtopping phenomena, different methods, like numerical simulation and experimental analysis (physical model tests) can be used. In this thesis wave overtopping is modelled numerically. The benefit of using numerical approach is the flexible studying process without any restriction. The conservation laws of fluid motion are solved numerically to represent the behavior of wave colliding with nearshore structures. The simulation process was done using an open-source computational framework, called OpenFOAM by using structures designed as STL files. They are inserted in OpenFOAM folders and structures are meshed. By applying waves with different heights overtopping discharge rates are calculated. The process to calculate discharge rate Q was done using another open-source application called Paraview which is for visualization. Paraview is used to visualize the simulation during 30 seconds and waves overtopping at the crest are calculated. In this research, three models are tested using different wave heights, crest freeboards and structure steepness. The modeling period is 30 seconds. Fifth order Stokes waves are used in all simulations. In all 3 simulations, waves reach crests approximately at 10th second. Then waves start to overtop the structure or reflect back to the inlet. Furthermore, after collecting complete information and studying the three different shape of nearshore structures under the influence of waves. It was concluded that the relationship between wave overtopping ratio and angle structure is in an inverse relationship. The overtopping ratio and wave height have a positive relationship with the overtopping balance and an inverse relationship between the overtopping rate and freeboard because the freeboard is the vertical distance between the structure and the crest. Hence, a higher freeboard will reduce overtopping. The data collected were compared with other numerical and experimental data with similar R_c/H_m0 in order to investigate the accuracy of the obtained results. After comparing the results, final conclusions are drawn. Also, a clear difference appears in the results through R_c/H_m0 is approximately the same, and the difference caused due to the number of parameters that affect the overtopping rate, not only R_c/H_m0 as founded by many researchers. Research in overtopping field still needs more time to mature, and many ideas, patents and technology must be transformed into projects that can be created and utilized realistically. Because this field is sensitive, and its importance increases daily, due to climate change, it is also important to increase the budget for research and development, because the problem of providing clean energy sources at an appropriate cost and sustainability in the long term is an issue that affects the lives of every human being living on this earth. Research on WECs has an evolution margin at several points, with developing new designs to reduce energy losses, increase reliability, durability, and increasing the efficiency of producing energy. The most important aspect that needs to improve is the economical side and high cost of construction, maintenance, and operation, in other words decreasing the cost per watt, also the versatility of WECs has an evolution margin too because WECs should have the allowability to be installed in offshore, nearshore, and shoreline areas. Besides the usage of WECs, for producing power and electricity, they may be used for other purposes like aquaculture and desalination. Finally, it would be essential to experience the models against physical experiments to verify the accuracy of the findings. Future research could also focus on studying the performance of different wave energy converters integrated with coastal facilities within a wide range of wave conditions to identify the optimal designs for WECs.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    832185

    Advanced computational modeling of wave energy converters and fluid-structure interaction: a smoothed particle hydrodynamics approach

    Dalga enerjisi dönüştürücülerinin ve akış-yapı etkileşiminin ileri düzey hesaplamalı modellemesi: düzgünleştirilmiş parçacık hıdrodinamiği yaklaşımı

    SHAYAN RAMEZANZADEH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET YILDIZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT OZBULUT

  2. Tez No

    467171

    Numerical investigation of hydrodynamic effects of waves caused by landslide in dam reservoirs

    Toprak kayması sonucu oluşan dalgaların baraj haznesinde oluşturduğu hidrodinamik etkilerin nümerik olarak araştırılması

    VAFA KHOOLOSI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI

  3. Tez No

    313806

    Long waves in narrow enclosed basins

    Dar kapalı havzalarda uzun dalgalar

    ONUR BARAN TEKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET CEVDET YALÇINER

  4. Tez No

    465434

    Nokta soğurucu tipi dalga enerjisi dönüştürücüsü dizilerinin hidrodinamik analizi

    Hydrodynamic analysis of point absorber type wave energy converter arrays

    İLKAY ÖZER ERSELCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDİ KÜKNER

  5. Tez No

    884559

    Taş dolgu dalgakıranlar için yenilikçi tek sıra koruma tabakası tasarımı: Piblok+

    Innovative single-layer armor unit design for rubble mound breakwaters: Piblok+

    ARİF UĞURLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ELMAR BALAS

Geri Dön