An investigation of turbulent flow structure and fish kinematics in pool-weir fishway
Havuzlu-savakli balik geçidinde türbülansli akim yapisinin ve balik kinematiğinin incelenmesi
- Tez No: 986706
- Danışmanlar: PROF. DR. SERHAT KÜÇÜKALİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mevcut havuz tipindeki balık geçitlerinde hidrolik elemanların yerleştirilmesi, Cyprinid (sazan benzeri) balıklar için daha uygun hale getirilmesi, balık geçidi araştırmalarında önemi giderek artan bir konudur. Bu çalışmanın amacı, saha deneyleri, laboratuvar deneyleri, sayısal simülasyonlar ve canlı balık gözlemlerini birleştiren kompozit bir yaklaşım yoluyla orifisli-savak balık geçitlerindeki sazlık bloklarının rolünü incelemektedir. Yapılan saha deneylerinde, Dağdelen Hidroelektrik Santrali'nde, Ceyhan Nehir Havzası'nda, orifis ve savak bulunan temsilî bir havuzdaki balık geçidinin hidrodinamik özellikleri ve balık davranışı incelenmiştir. Havuzdaki üç boyutlu hız ölçümleri Akustik Doppler Hızölçer (ADV) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçümler, sazlık bloğu bulunan ve bulunmayan durumlarda, sazlıkların uç seviyesinin altında ve üstünde olacak şekilde iki farklı düşey mesafede yapılmıştır. Çalışılan balık geçidi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) analizi de yürütülmüştür. Sayısal modelde Büyük Girdap Simülasyonu (LES) ve Darcy–Forchheimer yasası birleştirilmiş, sazlık blokları nümerik modelde homojen gözenekli ortam olarak temsil edilmiştir. Sonuçlar, sazlık bloktaki göreli batma derinliğinin hız ve Reynolds kayma gerilmesi (RSS) dağılımlarında çok önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Sazlıkların altında kalan bölgede, akış hızı ve yatay RSS bileşeni azalmış ve sazlık uçlarının altındaki blok arkasında dinlenme alanı oluşmuştur. Balık hareketleri, gerçek zamanlı işletme koşullarında su altı kameralarıyla kaydedilmiştir. Belirli bir zaman diliminde balıkların mekânsal yoğunluğunu görselleştiren iki boyutlu ısı haritası analizine göre Capoeta damascina, yüksek türbülanslı alanlardan kaçınmış ve balık varlığı yoğunluğunun %61,5'i havuzdaki düşük Reynolds kayma bölgelerinde gözlemlenmiştir. Ayrıca, çalışma kapsamında orifili-savaklı tipindeki balık geçidinin 1:2 ölçekli fiziksel modeli kullanılarak hidrolik ölçümler ve canlı balık testleri gerçekleştirilmiştir. Laboraturda gerçekleştirilen deneysel çalışmada, farklı hidrolik konfigürasyonlar (orifisli vs. orifis-savaklı) ve taban koşulları (sazlık bloklu vs. bloksuz) altında, iki farklı leusiskid türü olan Squalius cappadocicus ve Chondrostoma colchicum için yukarı yönlü geçiş başarısı araştırılmıştır. Çeşitli balık boylarıyla yapılan deneylerde, balıkların sazlık bloğu olan ve olmayan koşullarda, iki farklı akış rejiminde (orifisli ve orifisli-savaklı) balıkların konumlarını koruma yetenekleri incelenmiştir. ADV ve ADP ölçümleri sazlık bloluğun yüksek akış hızlarını, türbülans çalkantılarını, su yüzü çalkantılarını ve Reynolds kayma gerilmesini azalttığını, balıkların konumlarını koruyabileceği düşük hızlı bölgeler yarattığını göstermiştir. Sazlık bloğun yerleştirilmesiyle, Squalius orpheus'un sürüklenme oranı orifisli akım rejiminde %76'dan %48'e, orifisli-savaklı akım rejiminde ise %86'dan %19'a düşmüştür. Bu bulgular, sazlık blokların hidrodinamik koşulları iyileştirme ve havuz tipindeki balık geçitlerinde etkili dinlenme alanları sağlama potansiyelini göstermektedir. Chondrostoma güçlü bir akış tipi bağımlılığı göstermiş, orifis-savak rejiminde başarısı düşmüş ve kritik boy eşiği yaklaşık 11 cm olarak bulunmuştur. Squalius ise daha çok taban koşullarından etkilenmiş, sazlık bloklardan belirgin fayda sağlamış ve boy etkisi daha zayıf (~18,5 cm) olarak gözlenmiştir. Modellemenin tahmin performansı Chondrostoma için iyi-orta, Squalius için ise orta seviyede olup, daha karmaşık etkileşimler eklenmesi performansı iyileştirmemiştir. Bu durum, basit modellerin temel balık davranışlarını yakalamakta yeterli olduğunu göstermektedir. Tasarım açısından, orifisli ile sazlık blokların kombinasyonu, her iki türü desteklemek için en etkili konfigürasyon olarak öne çıkmakta, özellikle daha küçük bireyler için uygun olduğu gösterilmiştir. Sonuçlar, sazlık bloklarının hızı, kayma gerilimini ve türbülansı etkili bir şekilde azaltarak, enerji maliyetlerini düşüren ve küçük boylu balıklar için geçiş koşullarını iyileştiren hidrolik sığınaklar oluşturduğunu göstermektedir. Hem saha hem de laboratuvar deneylerinde balıkların bulundukları alanlar ve Reynolds kayma gerilmeleri arasında negatif bir ilişki bulunmuştur. Sazlık blokların Gözenekli Ortam Yaklaşım kullanılarak modellenmesi hem saha hem de laboratuvar deneyenlerinde tutarlı sonuçlar verdiği ortaya konmuştur. Çalışmada elde edilen bulgular, mevcut havuz tipindeki balık geçitlerinin esnek hidrolik elemanlarla rehabilite edilmesinin ekolojik faydalarını ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
The placement of hydraulic elements in existing pool-type fishways to make them more suitable for Cyprinid fish is an issue of increasing interest in fishway research. Hydrodynamic characteristics and fish behavior at the representative pool of the fishway with bottom orifices and notches were assessed at the Dağdelen hydropower plant in the Ceyhan River Basin, Türkiye. Three-dimensional velocity measurements were taken in the pool of the fishway using an Acoustic Doppler velocimeter. The measurements were taken with and without a brush block at two different vertical distances from the bottom, which were below and above the level of bristle tips. A computational fluid dynamics (CFD) analysis was conducted for the studied fishway. The numerical model utilized Large Eddy Simulation (LES) combined with the Darcy–Forchheimer law, wherein brush blocks were represented as homogeneous porous media. Our results revealed that the relative submergence of bristles in the brush block plays a very important role in velocity and Reynolds shear stress (RSS) distributions. After the placement of the submerged brush block, flow velocity and the lateral RSS component were reduced, and a resting area was created behind the brush block below the bristles' tips. Fish movements in the pool were recorded by underwater cameras under real-time operation conditions. The heatmap analysis, which is a 2-dimensional fish spatial presence visualization technique for a specific time period, showed that Capoeta damascina avoided the areas with high turbulent fluctuations during the tests, and 61.5% of the fish presence intensity was found to be in the low Reynolds shear regions in the pool. This provides a clear case for the real-world ecological benefits of retrofitting existing pool-weir fishways with such flexible hydraulic elements. The hydraulic measurements and live fish tests were conducted using a 1:2 scale physical model of a pool-weir type fish passage. Experiments were carried out with various fish body lengths to observe their ability to hold their positions with and without brush block configurations with two flow regimes (orifice flow and orifice-notch flow). The ADV measurements and video recordings revealed that brush blocks reduced high flow velocities and Reynolds shear stress, creating low-velocity zones where fish could hold their positions. Moreover, the pool depths were measured continuously at several points by using an Ultrasonic Distance Sensor (UDS). The UDS monitoring data revealed that free-surface fluctuations were dampened by the installation of brush block. In the laboratory experiments, we investigated upstream passage success of two contrasting leuciscids, the Anatolian chub (Squalius cappadocicus) and the Colchic nase (Chondrostoma colchicum), under different hydraulic configurations (orifice vs. orifice-notch flow) and substrate conditions (with vs. without brush blocks). Additionally, the placement of the brush block significantly reduced the drift ratio of Squallius individuals in the pool. With the placement of the brush block, the fish drift ratio decreased from 76% to 48% for the orifice flow regime, and it decreased from 86% to 19% for the orifice-notch flow regime. These findings highlight the potential of brush blocks to enhance hydrodynamic conditions, providing effective refugial habitats for fish at pool-weir fish passes. Chondrostoma showed strong flow-type dependence, with reduced success under orifice-notch hydraulics and a critical size threshold of ~11 cm, whereas Squalius was mainly limited by substrate, benefiting markedly from brush blocks and exhibiting a weaker length effect (~18.5 cm). Predictive performance was fair to good and did not improve with higher-order interactions, indicating that simple models captured the key ecological patterns. From a design perspective, orifice flow combined with brush blocks provides the most effective configuration for supporting both species, particularly smaller individuals.
Benzer Tezler
- Anroşman tabanlı kanallarda çözünmüş oksijen artırımının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of dissolved oxygen enhancement by paved with boulders
AYŞEGÜL ÜÇÜNCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
- Experimental and numerical investigation of flow structure through a corrugated channel
Boğumlu kanallardaki akış yapısının deneysel ve sayısal incelenmesi
EFE ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ESRA SORGÜVEN ÖNER
- An investigation into fluid flow and heat transfer of high frequency synthetic jets for electronics cooling
Elektroniklerin soğutulmasında yüksek frekanslı jetlerin sıvı akışı ve ısı transferi araştırması
OMIDREZA GHAFFARI
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- İki plaka arasına yerleştirilmiş elips silindir üzerindeki akış yapısının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of flow structure over an elliptic cylinder located two parallel plates
HÜSEYİN TURAN ARAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiMustafa Kemal ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ALİ KOÇ
- Radyoaktif izleme tekniği ile düşey borularda türbülanslı akış incelemesi ve yeni bir korelasyon
Investigation of turbulent flow in the vertical pipes and a new correlation
NESRİN ALTINSOY
Doktora
Türkçe
1997
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. BERİL TUĞRUL