Numerıcal modelıng of vertıcal slot-brush fısh pass: Porous medıa approach
Dikey yarıklı-sazlık balık geçidinin sayısal modellenmesi: gözenekli ortam yaklaşımı
- Tez No: 939621
- Danışmanlar: PROF. DR. SERHAT KÜÇÜKALİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Sayısal model, Dikey yarıklı balık geçidi, Esnek hidrolik elemanlar, Gözenekli ortam yaklaşımı, Küçük boylu balıklar, Numerical model, Vertical slot fishway, Flexible hydraulic elements, Porous media approach, Small-bodied fish
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 298
Özet
ÖZET Dikey Yarıklı Balık Geçidi (VSF), en yaygın kullanılan balık geçidi yapılarından biridir ve bu balık geçitleri, birçok balık türü için uygun hidrolik koşullar içerir. Ancak, bu balık geçitlerinde gözlenen yüksek taban eğimleri, debiler ve havuzlar içindeki yüksek hız ve türbülans gibi hidrolik koşulları, özellikle endemik (yani küçük boylu) ve zayıf yüzücü balık türleri için uygun değildir. Bu çalışmada, dikey yarık balık geçidi sisteminde enerji emici olarak kabul edilen geçirgen sazlık bloklarının kullanılmasının ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD)yaklaşımını kullanarak sayısal simülasyonların yapılmasının önerilmiştir. Sazlık bloklarının kurulumu ile yarık bölgesinde maksimum hızın düşürülmesi balık göçü için önemlidir. Bu amaca ulaşmak için, sazlık blokları ile ve sazlık blokları olmadan VSF'nin CFD modeli oluşturulmuştur. Dikey Yarıklı-Sazlık Balık Geçidi (VSF-B) için üç boyutlu bir sayısal çalışma uygulanmıştır. Sayısal modelde, sazlık bloklarının homojen gözenekli ortamlar olarak modellendiği Darcy-Forchheimer yasası ile birleştirilmiş Büyük Girdap Simülasyonu (LES)kullanılmıştır. Akışkan-Yapı Etkileşimini modellemek yerine, Gözenekli Ortam Yaklaşımı (PMA), sazlıkların esnek hidrolik elemanlar olarak direncini temsil eden Darcy–Forchheimer direnç katsayılarını kullanır. Bir Ağ Yakınsama İndeksi(GCI) yöntemi, simülasyon sonuçlarının ağ çözünürlüğünden bağımsız olduğu yerlerde sayısal doğruluğu sağlamak için kullanılmıştır. Yakınsama analizi kapsamında üç farklı ağ boyutu test edilmiştir. Hız alanları, akım çizgileri ve türbülans karakteristikleri için hidrodinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal model sonuçları, tam ölçekli fiziksel model ve prototipte Akustik Doppler Hızölçer (ADV) ile ölçülen üç boyutlu hızlar için doğrulanmıştır. Sonuçlar, LES-PMA yaklaşımının hız dağılımlarını iyi bir doğrulukla simüle edebileceğini ve bunun determinasyon katsayısı değerleriyle doğrulandığı ortaya konmuştur. Simülasyon sonuçlarına göre, maksimum hız ve ortalama havuz derinliği hataları \%15'ten daha düşük bulunmuştur. Sayısal simülasyonlar, zayıf yüzme kapasitesine sahip göç eden balıklar için sazlık blokların azaltılmış hız alanında olumlu bir etkisi olduğunu önermektedir. Fiziksel model ölçümleri ile karşılaştırıldığında, sayısal simülasyonlar yarık bölgesindeki hız profilini doğru bir şekilde yakaladığı ortaya konmuştur. Jet hızı akış yönünde azalmış ve bu da türbülanslı jetlerin analitik çözümüyle uyumlu olarak bulunmuştur. VSF-B'deki hız ve türbülanslı kinetik enerji değerleri, mevcut VSF'nin karşılık gelen değerlerinden daha düşük bulunmuş, bu da küçük boylu balıklar için daha avantajlı bir hidrolik durum yaratmıştır. VSF-B tasarımı, sazlık blokları olmayan VSF'ye kıyasla birden fazla balık türü için daha yüksek oranda uygun havuz hacmi sergilemektedir. Sayısal analiz, havuzdaki büyük çevrinti bölgesi alanının sazlık bloklarının kurulumu sonrasında önemli oranında azaldığı ortaya konmuştur. Önerilen sayısal modelleme yaklaşımının, özellikle küçük boylu balıklar olmak üzere, çok sayıda balık türünün yukarı akış göçü için VSF'lerin yenileme ve tasarım çalışmalarına katkıda bulunması beklenmektedir. Farklı yüksekliklerde gerçekleştirilen prototip simülasyonunda, sayısal model, prototip ölçümleriyle karşılaştırıldığında, sonuçlanan hızda yaklaşık \%15 ve türbülanslı kinetik enerji için yaklaşık \%5'lik ortalama sapmalarla yüksek doğruluk sergilemiştir. Zamansal ortalama hızlar düşey mesafe boyunca yaklaşık olarak uniform bir dağılım sergilerken, türbülans kinetik enerjisi tabadan su yüzeyine doğru artış trendi göstermiştir. Bu durum, simülasyonun iki boyutlu (2D) hız alanını ve üç boyutlu (3D) türbülans yapısını doğru bir şekilde yansıttığını göstermektedir. Ayrıca, simülasyonlar, farklı debi oranları, daha dik eğimler ve daha pürüzsüz havuz tabanlarının, taban substratı bulunan havuzlarla karşılaştırıldığında oluşturduğu etkileri değerlendirmek amacıyla genişletilmiştir. Sonuçlar, debideki bir artışın hız değerlerinde ihmaledilebilir değişikliklere neden olduğunu ancak türbülanslı kinetik enerjideğerlerinde belirgin bir artışa yol açtığını göstermiştir. Buna karşılık, dahadik eğimler hem hız hem de türbülanslı kinetik enerji değerlerinde önemliartışlara neden olduğu ortaya konmuştur. Taban substratının dahil edilmesi, hızdeğerlerini prototip sonuçlarına daha yakın hale getirmiş ve türbülanslıkinetik enerji değerlerinde önemli değişiklikler ortaya çıkardığı bulunmuştur. Bu çalışmanın bulguları, esnek hidrolik elemanların kullanımınınhavuzdaki hızı ve türbülansı azalttığını ve çok sayıda balık türü için göçkoridorları ve dinlenme alanları yarattığını göstermektedir. Sazlık bloklarını bünyesinde barındıran VSF-B, optimum hidrolik koşullar sağlayarak etkili balık geçişi kriterlerini karşılamaktadır.
Özet (Çeviri)
Vertical Slot Fish Pass (VSF) is one of the most widely utilized fishway constructions, and these fish passes contain suitable hydraulic conditions for multiple fish species. However, the hydraulic conditions of VSFs, such as high bed slopes, discharges, and high velocity and turbulence inside the pools, are not suitable, especially for endemic (i.e., small-bodied) and weak-swimming fish species. In this study, it has been proposed to use permeable brush blocks regarded as energy absorbers in the vertical slot fish pass and to carry out numerical simulations by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. The reduction of the maximum velocity with the installation of brush blocks is important for fish migration in the slot region. To reach this objective, the CFD model of the VSF with and without the brush blocks was established. A three-dimensional numerical study was applied for a Vertical Slot-Brush Fish Pass (VSF-B). In the numerical model, the Large Eddy Simulation (LES) coupled with the Darcy-Forchheimer law, in which brush blocks were modeled as homogeneous porous media was employed. Instead of modeling Fluid–Structure Interaction, the Porous Media Approach (PMA) uses Darcy–Forchheimer resistance coefficients that mimic the resistance of bristles as flexible hydraulic elements. A Grid Convergence Index (GCI) method was employed to ensure numerical accuracy where the simulation results are independent of the grid resolution. In the CFD model, three different mesh sizes were tested within the scope of the convergence analysis. Hydrodynamic analyses were conducted for velocity fields, streamlines and turbulence characteristics. The numerical model results were validated for three-dimensional velocities that were measured with Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) in a full-scale physical model and in a prototype. The results revealed that the LES-PMA approach can simulate velocity distributions with good accuracy, which was validated by coefficient of determination values. According to the simulation results, the maximum velocity and average pool depth errors were lower than 15\%. Numerical simulations suggest that bristles have a positive effect on the reduced velocity area for migrating fish that have low swimming capacity. Compared with the experimental measurements, the numerical simulations captured the velocity profile in the slot region. The jet velocity decayed along the streamwise direction, which is in agreement with the analytical solution of the turbulent jets. The velocity and turbulent kinetic energy values in the VSF-B were much lower than the corresponding values of the existing VSF, making it more advantageous for small-bodied fish. The VSF-B design exhibits a higher proportion of suitable pool volume for multiple fish species in comparison to the VSF without brush blocks. The numerical analysis shows that the large recirculation zone area in the pool is reduced considerably after the installation of brush blocks. The proposed numerical modeling approach is expected to make contributions to the retrofitting and design studies of VSFs for the upstream migration of multiple fish species, particularly small-bodied fish. In prototype simulation at different elevations, the numerical model also demonstrated high accuracy, with average discrepancies of ~15\% for resultant velocity and ~5\% for turbulent kinetic energy compared to prototype measurements. Spatially-averaged velocity remained nearly uniform across vertical distances, while spatially-averaged turbulent kinetic energy showed an increasing tendency from the bed toward the free surface, confirming a 2D velocity field but a 3D turbulence structure. Furthermore, simulations were extended to evaluate the effects of varying discharge rates, steeper slopes, and smoother pool base in comparison to pools with bottom substrate. The results indicated that an increase in discharge caused negligible changes in velocity values but led to a noticeable increase in turbulent kinetic energy values. In contrast, steeper slopes resulted in significant increases in both velocity and turbulent kinetic energy values. The inclusion of bottom substrate brought velocity values closer to prototype results and introduced substantial changes in turbulent kinetic energy values. The findings of this study show that the usage of flexible hydraulic elements reduces the velocity and turbulence in the pool and creates migration corridors and resting areas for multiple fish species. The VSF-B, which incorporates brush blocks, meets the criteria for effective fish passage by providing optimal hydraulic conditions.
Benzer Tezler
- Dikey yarıklı balık geçitlerinin deneysel ve sayısal modellemesi
Experimental and numerical modeling of vertical slot fish passage
MEHMET CELAL CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiHarran Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL GÜMÜŞ
- Dikey dalan sıvı jeti için farklı jet çıkış geometrilerinin havalandırma miktarına etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Investigation of the different nozzle geometries for vertical plunging water jet air entrainment with numerical methods
BURAK ALP KARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
DR. ZAFER GEMİCİ
- Modeling of surge and swab pressure of yield power law fluids
Yıeld power law akışkan için surge ve swab basıncı modellemesi
ÖNER ERGE
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT AKIN
DOÇ. DR. İSMAİL HAKKI GÜCÜYENER
- Modeling and compensation of machine toolvolumetric errors for virtual CNC environment
Başlık çevirisi yok
EVREN YASA
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Makine MühendisliğiThe University of British ColumbiaMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ALTINTAŞ
- Analysis of the air flow in a refrigerated truck
Frigorofik kamyonlarda hava akış analizi
ERSİN ALPTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİ KAYANSAYAN