UVP ALGILAYICILARI KULLANILARAK SU ALTI BORUSU ALTINDAKİ OYULMALARIN ZAMANLA DEĞİŞİMLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu UVP ALGILAYICILARI KULLANILARAK SU ALTI BORUSU ALTINDAKİ OYULMALARIN ZAMANLA DEĞİŞİMLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRILMASI M. Şükrü GÜNEY 1 Mustafa DOĞAN 2 Ayşegül Ö. AKSOY 3 Gökçen BOMBAR 4 1 Prof. Dr., Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi Buca/İZMİR, , sukru.guney@deu.edu.tr 2 Araş. Gör. İnş. Y. Müh., Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi Buca/İZMİR, , mustafa.dogan@deu.edu.tr 3 Yrd. Doç. Dr., Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi Buca/İZMİR, , aysegul.ozgenc@deu.edu.tr 4 Dr., Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi Buca/İZMİR, , gokcenbombar@gmail.com ÖZET Bu çalışmada UVP (Ultrasonic Velocity Profiler) cihazı kullanılarak su altı borusu altında kararlı akıntı etkisi ile oluşan oyulmalar zamana bağlı olarak ölçülmüş ve sonuçlar literatürde mevcut bağıntılar ile karşılaştırılmıştır. Deneyler 80 cm genişlikteki kanalda dış çapı 63 mm olan boru ve bimodal d 50 =3.4 mm olan taban malzemesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kanalda farklı akım debileri dolayısıyla da farklı kararlı akıntı hızları oluşturulmuştur. Dört farklı debide gerçekleştirilen deneylerde boru ekseni boyunca oluşan oyulma derinlikleri zamana bağlı olarak kaydedilmiştir. Elde edilen nihai oyulma derinliklerinin literatürde mevcut bağıntılar kullanılarak hesaplanan değerlerle uyumluluğu araştırılmıştır. Ayrıca oyulma derinliğinin zamana bağlı olarak ölçülen değişimi literatürde mevcut bağıntı sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ölçülen ve hesaplanan değerler arasındaki uyumun büyük akıntı hızları durumunda daha iyi olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Su altı borusu, zamana bağlı oyulma ölçümü, UVP. EXPERIMENTAL STUDY of TIME DEPENDENT SCOURS UNDER the SUBMERGED PIPE by USING UVP TRANSDUCERS In this study the variations with respect to time of the scour depths under the submerged pipes are studied experimentally by using UVP (Ultrasonic Velocity Profiler) device. The experiments are carried out in a channel 80 cm wide by using bimodal bed material with

2 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu d 50 =3.4 mm and a pipe whose external diameter is 63 mm. Various current velocities are realized with different flow rates. The scour depths versus time along the pipe axis are registered during the experiments performed with four flow rates. The experimental findings are compared with the numerical values obtained from the available empirical approaches which are largely used in practice. It is revealed that the compatibility between the experimental findings and those obtained from the empirical relations are better in the case of high current velocities. Giriş Özellikle son yıllarda örneklerine sıkça rastlanılan tatlı su, petrol, doğalgaz v.b. akışkanların iletiminin sağlanması, atıkların arıtma tesisinden çıktıktan sonra uzak kıyı bölgesine deşarjının gerçekleştirilmesi gibi işlemlerde kullanılan su altı borularının önemi giderek artmaktadır. Üç farklı etmen oluşturan deniz, zemin ve borunun etkileşiminden dolayı incelenen problem karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu sistemlerin maruz kaldıkları stabilite problemlerinin başında dalga ve akıntı gibi etkiler sonucu deniz tabanına oturan boru hatları etrafında gerçekleşen oyulmalar ve bunun sonucu oluşan hasar gelmektedir. Sayısal çözümler ve diğer çalışmalardan genelleştirilen bağıntılar ile belirli tasarım kıstasları sağlanabilmekte ancak özel problemlerde ve yeni araştırmalarda deneysel çalışmalar gerekli olmaktadır. Literatürde, su altı borusu etrafındaki oyulmaların deneysel olarak incelendiği birçok çalışma mevcuttur. Yapılan çalışmaların büyük çoğunluğunda su altı borusu altındaki oyulmalar deney sonunda ölçülmesine ve nihai durumun ortaya konulmasına rağmen son yıllarda boru altındaki oyulmanın zamana bağlı olarak değişimi ve oluşan oyulma çukurunun gelişimi incelenmektedir. Cheng ve diğ., (2009) çalışmalarında kararlı akıntı etkisi altındaki su altı borusu ekseni boyunca oluşan oyulmaları özel olarak geliştirilen iletkenlik probları ile zamana bağlı olarak ölçmüşlerdir. Bu çalışmada, oyulmanın zaman içerisindeki gelişiminden ziyade boru altı boyunca oyulmanın ilerleyişi araştırılmış olup oyulmanın zamana bağlı olarak kaydedildiği ender araştırmalardan biridir. Bu çalışmada kanal tabanına oturan su altı borusu ekseni boyunca akıntı nedeniyle meydana gelen oyulmalar UVP (Ultrasonic Velocity Profiler) cihazı kullanılarak zamana bağlı olarak ölçülmüş ve sonuçlar yorumlanmıştır. Deney Sistemi ve Yöntem Deneyler, Dokuz Eylül Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarında mevcut 18.6 m uzunluğunda, 80 cm genişliğinde, 75 cm yüksekliğinde ve her iki kenarı pleksiglastan oluşan kanalda gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Kanal tabanına deniz zeminini temsil edecek şekilde yaklaşık 7 cm kalınlığında dane çapı d 50 =3.40 mm olan bimodal bir malzeme serilmiştir. Temsili su altı borusu 63 mm dış çapa sahiptir. Bu boru üzerine düşey bir delik açılarak UVP algılayıcısı yerleştirilmiştir (Şekil 2). UVP cihazı laboratuvar çalışmalarında su hızını ölçmek için tasarlanmış bir cihaz olup özellikle açık kanallarda noktasal hızları elde etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise UVP algılayıcıları boru eksenine dik olarak yerleştirilmiş ve tabana çarpıp dönen ses dalgaları yardımıyla oyulma derinlikleri dolaylı olarak ölçülmüş ve UVP cihazından bu şekilde de yararlanılabileceği gösterilmiştir.

3 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 1. Deney düzeneğinin genel görünüşü. Şekil 2. Deney sistemi ve deney borusu detaylarının şematik gösterimi Deney sisteminde su, kanalın mansap tarafında bulunan ana su deposundan bir pompa yardımıyla kanal içerisine basılmaktadır (Şekil 3-a). Kanala giren debi, girişteki hazneden önce besleme borusunda yer alan OPTIFLUX 1000 elektromanyetik debimetre yardımıyla kaydedilebilmektedir (Şekil 3-b). Ayrıca kanaldaki su derinlikleri ultrasonik yöntemle çalışan ULS (Ultrasonic Level Sensor) ile zamana bağlı olarak ölçülebilmektedir.

4 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu a) b) Şekil 3. a) Ana su deposu çıkışındaki pompa b) Elektromanyetik debimetre Deneysel Sonuçlar Bu çalışmada dört farklı debide deneyler gerçekleştirilmiştir (Çizelge 1). Çizelge 1. Deneylerdeki debi, derinlik ve hız değerleri Deney No Debi (lt/sn) d (cm) Kararlı Akıntı Hızı (cm/sn) D D D D Şekil 4 te deneyler sırasında çekilen ve tabana döşenen borunun üstten ve yandan görünüşünü gösteren fotoğraflar yer almaktadır. a Şekil 4. Borunun a) Üstten görünüşü b) Yandan görünüşü b D1 nolu deney sırasında UVP algılayıcısı ile elde edilen sonuçlar Şekil 5 te verilmektedir. Oyulma süresi yaklaşık olarak 8 sn sürmüş ve nihai durumda yaklaşık 18 mm derinliğinde bir oyulma meydana gelmiştir.

5 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 6 da D2 nolu deney sırasında ölçülen oyulma derinlikleri verilmektedir. Bu debide ise oyulma yaklaşık olarak 10 sn sürmüş ve 20 mm derinliğinde bir oyulma meydana gelmiştir. D3 nolu deney sırasında elde edilen deneysel sonuçlar Şekil 7 de verilmektedir. Bu deney şartlarında oyulma 15 sn civarında sürmekte ve nihai olarak 30 mm derinliğine ulaşmaktadır. Şekil 8 de ise D4 nolu deneye sırasında ölçülen oyulma derinliklerinin zamana bağlı değişimi gösterilmektedir. Oyulma yaklaşık olarak 50 sn devam etmiş ve deney sonunda 35 mm civarında nihai derinliğine ulaşmıştır. Tüm deneylerde UVP cihazıyla tabana olan düşey mesafelerin ve dolayısıyla taban kotundaki değişimlerin okunmasına akıntı öncesinde başlanılmış ve denge durumuna ulaşıldıktan sonra da devam edilmiştir. Şekil 5. D1 nolu deneyde su altı borusu ekseni boyunca ölçülen oyulmalar Şekil 6. D2 nolu deneyde su altı borusu ekseni boyunca ölçülen oyulmalar Şekil 7. D3 nolu deneyde su altı borusu ekseni boyunca ölçülen oyulmalar

6 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 8. D4 nolu deneyde su altı borusu ekseni boyunca ölçülen oyulmalar Deneysel Bulguların Sayısal Sonuçlarla Karşılaştırılması Kararlı akıntı durumu için literatürde verilen ampirik bağıntılardan en çok kullanılanlardan biri Bijker ve Leeuweistein (1984) tarafından verilen bağıntıdır: U S D d (1) g Burada, S: oyulma derinliği, U: kararlı akıntı hızı, g: yer çekimi ivmesi, D: boru çapı ve d: su derinliğidir. Bu çalışmada deneyler sonucunda elde edilen ve Bijker-Leeuweistein bağıntısı kullanılarak hesaplanan oyulma derinlikleri Çizelge 2 de verilmektedir. Çizelge 2. Ölçülen ve Bijker -Leeuweistein bağıntısı kullanılarak hesaplanan oyulma derinlikleri Deney No Ölçülen Oyulma Derinlikleri (mm) Hesaplanan D D D D Çizelge 2 incelendiğinde Bijker-Leeuweistein bağıntısının büyük hızlar altında gerçekleştirilen deney sonuçlarıyla daha çok uyumlu olduğu görülmektedir. (2) nolu bağıntı ile hesaplanan boru Reynolds sayıları uygulamada karşılaşılan değerler ile uyumludur. U D Re D (2) Burada, ReD ; boru etrafındaki akım için hesaplanan Reynolds sayısını ve ν; kinematik viskoziteyi simgelemektedir. Dört deney için hesaplanan boru Reynolds sayıları değerleri 18396~28350 aralığındadır. Sümer ve Fredsoe nin (2002) çalışmalarında hareketli taban oyulması durumu ve ReD sayısının yukarıdaki değerleri için oyulma derinliğinin nihai değeri (S) için 0.5~0.6 D sonuçları

7 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu verilmektedir. Deneylerde kullanılan boru çapı 63 mm olduğundan ölçülen oyulma değerlerinin Sümer ve Fredsoe (2002) nin sonuçları ile benzerlik gösterdiği söylenebilmektedir. Sümer ve Fredsoe (2002) çalışmasında oyulmanın zamana bağlı gelişimi için aşağıda verilen bağıntı önerilmektedir: S t t T S 1 e (3) Burada St: herhangi bir andaki oyulma derinliği, S: nihai (denge) durumdaki oyulma derinliği, t: zaman ve T: oyulma sürecinin süresi olup t=0 anında zamana bağlı oyulma derinliği eğrisi teğetinin nihai oyulma derinliği çizgisi ile kesişimi arasındaki zaman değeri olmaktadır. Sümer ve Fredsoe (2002) de verilen yukarıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanan değerler ile deneyler sırasında ölçülen değerlerin bir arada gösterildiği grafikler Şekil 9 da verilmektedir. Şekil 9 da verilen grafikler incelendiğinde su altı boru altındaki oyulmaların zamanla değişiminin (3) bağıntısıyla elde edilen sonuçlarla uyumluluğunun büyük hızlarda daha iyi olduğu görülmektedir. Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada eğik bir doğrultu boyunca noktasal hız değerlerini ölçmek amacıyla tasarlanmış olan UVP cihazı düşey konumda yerleştirilerek su altı borusu altında oluşan oyulmalar ölçülebilmiştir. Şekil 9. Tüm deneylerde ölçülen oyulma derinlikleri ile (3) nolu bağıntıdan hesaplanan değerlerin zamana bağlı olarak çizilen grafikleri.

8 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Bijker-Leeuweistein bağıntısının büyük hızlar altında gerçekleştirilen deney sonuçlarıyla daha çok uyumlu olduğu görülmüştür. Sümer ve Fredsoe nin hareketli taban oyulması durumunda oyulma derinliği için verdikleri 0.5~0.6 D şeklindeki ifadenin deneysel bulgularımızla da kabul edilebilir bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Sümer ve Fredsoe tarafından verilen ve oyulma derinliğinin zamanla değişimini veren bağıntının ise büyük akıntı hızları durumunda deneysel bulgularla daha uyumlu olduğu görülmüştür. Uygulamada noktasal hızların ölçülmesi amacıyla tasarlanmış olan UVP cihazının gerekli düzenlemeler ve yorumlar yapılarak taban kotlarının belirlenmesi amacıyla da kullanılması önerilebilir. Farklı taban malzemeleri, farklı borular ve farklı sabit debiler ile benzer deneylerin sürdürülmesi; dalga oluşturularak su altı borusu altında oluşan oyulmaların ölçülmesi; deneysel bulguların literatürde mevcut bilgiler ışığında değerlendirilmesi gelecekte yapılması hedeflenen çalışmalarımız arasındadır. Kaynaklar Bijker, E.W., Leeuwestein, W., (1984). Interaction between pipelines and the seabed under the influence of waves and currents, Seabed Mechanics, B. Denness, ed., Graham and Trotman, Gettysburg, Md, pp: Cheng, L., Yeow, K., Zhang, Z., Teng., (2009). Three-dimensional scour below offshore pipelines in steady currents, Coastal Eng., 56, Sümer, B.M., Fredsøe, J., (2002). The mechanics of scour in the marine environment, World Scientific Publishing, Singapore, Pp:536.