Hydrodynamics and hydraulic performances of fish-friendly fine screens at water intakes of hydropower plants
Hidroelektrik santrallerin su alma yapılarında kullanılan balık dostu ince ızgaraların hidrodinamiği ve hidrolik performansı
- Tez No: 987419
- 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: Hidrolik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hidroelektrik, toplam elektrik üretiminin %16'sı ile dünya çapında bir numaralı yenilenebilir elektrik enerjisi kaynağıdır ve yakın gelecekte de öyle kalacaktır. Bununla birlikte, hidroelektrik santrallerin (HES) son on yılda yaygın bir şekilde uygulanmaya başlanması, doğal nehir ekosistemlerinin bozulmasına yol açmış olup, bu habitatlarda yaşayan sucul türlerin olumsuz bir şekilde etkilenmesine sebep olmaktadır. Özellikle nehir tipi HES'ler, aşağı göç amacıyla akım yönünde hareket eden balıklar için bir ciddi tehdit oluşturmaktadır. Bu bağlamda, türbin geçişleri sırasında yaşanan yaralanma ve ölümler, dünya genelinde balık popülasyonlarında ciddi bir azalmaya neden olmaktadır. Bununla birlikte, HES'lerde ve diğer su alma yapılarında, mansap tarafına doğru hareket eden balıkları korumaya ve yönlendirmeye yönelik önlemler geçmiş yıllar boyunca ihmal edilmiştir. Bu nedenle, balık dostu yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi ve böylelikle nehir sistemlerinde aşağı göç esnasında yaşanan balık ölümleri sebebiyle azalan balık popülasyonlarının geri kazanılması ve ekolojik sürekliliğin sağlanması acil bir konu olarak ele alınmalıdır. Aşağı yönde hareket eden balıkların korunması, balıkları hidroelektrik santralin çevresinden dolanmasını sağlayacak şekilde yönlendiren ızgara-bypass yapılarının tasarlanmasını ve uygulanmasını gerektirir. Ancak balıkların aşağı göçünü güvenli bir şekilde sağlamak amacıyla tasarlanan ve fiziksel bariyer görevi gören dar açıklığa sahip (ince) ızgaraların sebep olduğu hidrolik yük kayıpları ve ızgara sonrası oluşan asimetrik akım alanları günümüzde hala ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Bu sebeple, bu çalışmanın temel amacı, özellikle nehir tipi HES'lerde ve su alma yapılarında hidroelektrik üretimi ve işletimi üzerinde ortaya çıkabilecek başta enerji kayıpları olmak üzere benzeri olumsuz etkileri minimize ederek, ana akım yönünde hareket eden balıkların ızgaralardan geçişlerini engelleyip bir bypass kanalına yönlendirerek güvenli bir şekilde aşağı göçlerini tamamlamaları için teknik bir çözüm sağlayıp, hidroelektrik enerjinin sürdürülebilir ve verimli kullanımını iyileştirmektir. Bu tez kapsamında, yenilikçi bir tasarıma sahip Oppermann ince ızgaralarının hidrodinamik, hidrolik ve biyolojik performansı; deneysel, nümerik ve teorik olarak incelenmektedir. Deneysel çalışma kapsamında, iki farklı düzenek altında hem hidrolik ölçümler hem de canlı balık testleri gerçekleştirilmiştir. Oppermann ince ızgaralarının, akım çizgisine uyumlu bar profili sayesinde, akım doğrultucu bir etki yaratarak, makro türbülansı sönümlediği ve mansapta daha homojen ve simetrik bir akım alanı oluşturduğu gözlemlenmiştir. Yönlendirme duvarının, elverişsiz yaklaşım akımı koşullarını iyileştirdiği ve akım ayrılma bölgelerinin oluşumunu azalttığı deneysel olarak gösterilmiş, böylelikle küçük boylu potamodrom balık türlerinin aşağı göçünün kolaylaştırıldığı ortaya konmuştur. Test edilen tüm durumlar için bypass geçiş verimliliğinin, 22° ızgara açısında en düşük seviyede olduğu; buna karşın 38° – 45° ızgara açısı aralığının, balıkların etkin bir şekilde yönlendirilmesine olanak tanıyan en elverişli hidrolik ortamı sağladığı saptanmıştır. Ayrıca, taban eğimindeki artışın, yaklaşım hızlarının yükselmesine ve böylece bypass geçiş başarısının görece daha düşük olmasına yol açtığı görülmüştür. Bunlara ek olarak, bypass kanalına bir savak yerleştirildiğinde ise, akımdaki yavaşlama (backwater effect) sayesinde aşağı yönde balık geçiş verimliliğinde artış gözlenmiştir. Bu bağlamda, akım çizgisine uyumlu profile sahip (streamlined) savak, üçgen profilli (crump) savağa kıyasla daha iyi performans sergilemiştir. Tezin nümerik kısmı kapsamında, hem akıma dik hem de akıma yatayda açılı bir şekilde yerleştirilmiş olan Oppermann ince ızgaraları, yenilikçi bir Darcy–Forchheimer gözenekli ortam yaklaşımı kullanılarak incelenmiştir. Nümerik modelde Oppermann bar profilinin doğrudan temsil edilmesi yerine gözenekli ortam yaklaşımının kullanılması, simülasyonların çok daha kaba bir ağ (coarse mesh) ile yapılabilmesini mümkün kılmış; böylece hesaplama maliyeti ve süresinde belirgin bir azalma sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, yerel akım hızları ve türbülans büyüklükleri bakımından deneysel verilerle iyi bir uyum göstermiş olup, kabul edilebilir düzeylerde tahmin hataları vermiştir. Ayrıca, Büyük Girdap Simülasyonu (Large Eddy Simulation, LES) çözümlerinin, türbülans yapılarını Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) modellerine kıyasla çok daha yüksek bir çözünürlükte yakalayabildiği ortaya konmuştur. Oppermann ızgaraları aynı zamanda teorik bir çerçeve kapsamında da değerlendirilmiş; bu bağlamda, ızgara kaynaklı yük kayıplarının tahmini amacıyla Borda-Carnot denklemi ve Blasius formülü uyarlanmıştır. Boyut analizi sonucunda, ızgara yük kayıp katsayısının, ızgara blokaj oranı p, ızgara açısı, α, bar uzunluğuna göre tanımlanmış Reynolds sayısı, Re_L ve bar geometrisinin bir fonksiyonu olduğu belirlenmiştir. Bu bağlamda, Oppermann bar profili için boyutsuz bir tahmin denklemi elde edilmiş ve bu denklem R2 = 0,92 uyum katsayısı ile oldukça tatmin edici sonuçlar vermiştir. Ayrıca, mevcut hidrodinamik bar profillerinden farklı olarak, Oppermann ince ızgaralarının yük kayıp katsayısının, ızgaranın açısından neredeyse bağımsız olduğu deneysel olarak ortaya konmuştur. Elde edilen tüm sonuçların, her boyuttaki hidroelektrik santralde kullanılabilecek olan fiziksel bariyerlerin (ince ızgaraların) tasarım ve uygulama aşamalarında ve aynı zamanda benzer konuyu ileriki çalışmalarda inceleyecek araştırmacılar için de referans niteliğinde olacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Hydropower is the leading source of renewable electricity worldwide, accounting for approximately 16% of total global electricity generation, and is expected to retain this role in the near future. However, the widespread construction of hydropower plants (HPPs) over the last decade has contributed to the degradation of natural river ecosystems and has adversely affected aquatic species inhabiting these environments. In particular, the run-of-river HPPs pose a serious threat to downstream-migrating fish, as turbine passage can cause substantial injuries and mortalities, which in turn might lead to declines in fish populations at a global scale. Nevertheless, protective and guiding measures for downstream-migrating fish species at hydropower intakes have been mostly neglected. Therefore, the development of fish-friendly innovative technologies aimed at reducing the turbine-induced mortalities, restoring the depleted fish populations, and ensuring the ecological continuity within riverine ecosystems should be treated as a matter of urgency. The protection of downstream-migrating fish requires the design and implementation of screen–bypass systems that guide fish safely around the hydropower plant. However, the head losses and asymmetric downstream flow fields generated due to fine screens remain a major challenge for efficient and sustainable HPPs. Accordingly, the primary objective of this thesis is to provide a technical solution that prevents downstream-migrating fish from passing through the turbines by guiding them into a bypass channel, to avoid possible injuries and deaths, while simultaneously minimizing the adverse effects, particularly the head losses, on hydropower production. To this end, within the scope of this thesis, the hydrodynamic, hydraulic, as well as the biological performance of a specific type of physical barrier, namely the fish-friendly Oppermann fine screen, is investigated through a combination of experimental, numerical, and theoretical analyses. For the experimental work, both hydraulic measurements and live-fish tests were performed under two different setups. It was found that the macro-turbulence was dampened by the Oppermann fine screen due to the flow-straightening effect of the streamlined bar profile, leading to a more homogenous and symmetrical downstream flow field. The presence of the guidance wall was experimentally shown to enhance the poor approach flow conditions and to reduce the formation of recirculation zones, thereby facilitating the downstream migration of small-bodied potamodromous fish species. The bypass passage efficiencies were found to be the least for the 22° screen angle across all tested cases, whereas the 38° – 45° screen angle range yielded the most favorable hydraulic environment for effective fish guidance. Also, an increase in the bed slope was shown to create higher approach flow velocities, resulting in relatively lower downstream passage success. Moreover, when a weir was installed in the bypass channel, higher fish passage efficiencies were observed due to the backwater effect. In this regard, the streamlined weir performed better compared to the crump weir with a triangular profile. For the numerical part of this thesis, both perpendicular and angled Oppermann fine screens were investigated by employing an innovative Darcy- Forchheimer porous media approach. Instead of using the original Oppermann bar profile in the numerical model, the porous media approach enabled the simulations with a coarser grid, significantly reducing the computational cost and time. Accordingly, the numerical model results were found to be in close agreement with the measured data, yielding acceptable levels of prediction errors in terms of both local flow velocities and turbulent quantities. Furthermore, the Large Eddy Simulation (LES) was found to capture the vorticity field with a much higher resolution compared to Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models. The Oppermann fine screen was also investigated based on a theoretical background, where the Borda-Carnot equation and the Blasius formula were both adapted to predict the head losses generated by the screen. According to the dimensional analysis, the screen head loss coefficient was found to be a function of the screen blockage ratio, p, screen angle, α, and Reynolds number defined for the bar length, Re_L, as well as the bar shape. Within this context, a non-dimensional predictive equation was proposed for the head loss generated by the Oppermann bar profile, with R2 = 0.92. Moreover, different from the existing hydrodynamic bar profiles, the head loss coefficient of the Oppermann fine screen was experimentally found to be almost independent of the screen angle. The above-mentioned results are expected to inform the design and implementation of the physical barriers (i.e., fine screens) in hydropower plants of various scales and to serve as a reference for future studies addressing similar problems within downstream fish passage facilities.
Benzer Tezler
- Sempatik kıyı koruma yapısı olarak kazıklı dalgakıranların düzenli ve düzensiz dalgalar altındaki performanslarının ve üzerine gelen yüklerin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
TARKAN MUTLU
Doktora
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. SEDAT KAPDAŞLI
- An investigation of turbulent flow structure and fish kinematics in pool-weir fishway
Havuzlu-savakli balik geçidinde türbülansli akim yapisinin ve balik kinematiğinin incelenmesi
MEHMET SALİH TÜRKER
Doktora
İngilizce
2025
İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT KÜÇÜKALİ
- 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 Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- Hidrodinamik kaymalı yataklı santrifüj kan pompası tasarımı ve hidrolik performansının belirlenmesi
Design and hydraulic performance determination of a centrifugal blood pump with hydrodynamic journal bearing
AHMET ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAFET YAPICI
- Simulation of helical hydrokinetic turbines in river flows
Nehir akımında helezonik hidrokinetik türbinlerin simülasyonu
MOHAMMAD AKRAM SAADI AL DABBAGH
Doktora
İngilizce
2017
İnşaat MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiHidrolik Ana Bilim Dalı
DOÇ. MEHMET İSHAK YÜCE