PERVANE JETİNİN SEVLERDE MEYDANA GETİRDİĞİ EROZYON

Transkript

1 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu PERVANE JETİNİN SEVLERDE MEYDANA GETİRDİĞİ EROZYON Ayse YUKSEL OZAN 1, Kubilay CIHAN 2, Yalcin YUKSEL 3 Insaat Muhendisligi Bolumu, Yildiz Teknik Universitesi, 34210, Esenler, Istanbul. 1 Dr., ayuksel@yildiz.edu.tr, Tel: , Fax: Dr., kcihan@yildiz.edu.tr, Tel: , Fax: Prof. Dr., yuksel@yildiz.edu.tr, Tel: , Fax: ÖZET Son otuz yılda gemilerin manevra kabiliyetlerin artmasından dolayı, pervane jetlerinden dolayı oluşan erozyon probleminde belirgin bir artış olmuştur. Bununla birlikte pervane sebepli oyulmanın yanaşma yapılarının tasarımında düşünülmesi gerekmektedir. Bu çalışmada pervaneden dolayı şevli yapılarda oluşan erozyon deneysel olarak araştırılmıştır. Şev eğimi 1/2 dir. Deneylerde iki farklı model kullanılmıştır. Birinci modelde topuk önünde apron tabakası bulunmazken, ikinci modelde topuk önünde apron bulunmaktadır. Deneylerde Acoustic Doppler Hiz Olcer (ADV) ile hiz olcumleri gerceklestirilmistir. Deneyler 560 rpm, 625 rpm, 690 rpm ve 820 rpm için gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Pervane, oyulma, ADV. EROSION INDUCED PROPELLER on SLOPES ABSTRACT The problem of propellet jet induced erosion has significantly rise during the last three decades due to the increase of maneuverability of the ships. Therefore, the propeller induced scour needs to be considered in the design of the quay structures. In this study, damage induced propeller was investigated experimentally. A ½ slope was considered. In test, two different models were built. While first model has not an apron layer in front of toe, second model has an apron. Velocities measurements were performed by using ADV. The experiments were conducted for 560 rpm, 625 rpm, 690 rpm and 820 rpm. Key Words: propeller, scour, ADV 1. GİRİŞ Gemilerde bulunan pervanelerin boyutları ve motorların güçleri günden güne artmaktadır. Dolayısıyla pervaneden çıkan su jeti, liman içi ve navigasyon kanallarının tabanında, şevlerde ve yanaşma yapılarının etrafında ciddi erozyon hasarları meydana getirmektedir. Ayrica, işletmeciler, mürettabat maliyetini düşürmek için genelde en az mürettabatla çalışmayı tercih etmektedirler. Gemilerin yanaşma ve ayrılmaları için az sayıda mürettabatın kullanılabilmesi

2 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu gemilerin manevra kabiliyetini arttırmalarına bağlıdır. Manevra kabiliyetinin arttırılması için de yan pervaneler kullanılmaktadır. Bu durumda ise birçok yanaşma yapısının tabanında bulunan şevde hasar meydana gelmektedir. Bergh ve Cederwall in (1981) İsveç limanlarında, pervanelerin meydana getirdiği zararlar üzerine yürüttüğü bir araştırmada, incelenen 53 rıhtımdan 18 inin zarar gördüğünü ve bunlardan 16 sının 10 yıllık periyot boyunca ( ) meydana geldiğini belirlemişlerdir. Lange (1987) nin yürütücülüğünde Fransa limanlarında yapılan çalışmalarda, erozyon problemlerinin manevra sırasında baş pervanelerinin veya ana pervanelerin çalışmasına bağlı olduğu belirlenmiş ve erozyon problemi olan 29 iskele teşhis edilmiştir. Quarrain (1994) pervanelerin İngiliz limanlarında neden olduğu hasarı araştırmıştır. Bu araştırmada, büyük limanların %42 sinde hasar olduğunu, bunlardan %29 unun onarım gerektiren ciddi hasarlar olduğunu belirlemiştir. Chin vd. (1996) yaptıkları çalışmada tabana yerleştirilen batık su jetinin tabanda meydana getirdiği oyulma problemini deneysel olarak incelemişlerdir. Deneyleri iki aşamalı olarak gerçekleştirmişlerdir. İlk aşamada su jetinin kazık olmadan yarattığı değişimler incelenmiştir. İkinci aşamada ise kum tabana kazık yerleştirilmiş ve kazığın oyulma üzerindeki etkisi incelenmiştir. Hamill vd. (1999), yaptıkları çalışmada gemi pervanelerinin rıhtım duvarları önünde neden olduğu maksimum oyulma derinliğini belirlemişlerdir. Schokking vd. (2002) yaptıkları çalışmada pervane jeti etkisinde anroşman bir şev üzerinde meydana gelen hasarı hem deneysel olarak hem de sahada incelemişlerdir. Deneysel çalışmada, serbest bir pervane jet akımını ve yuva içindeki pervane akımını dikkate almışlardır. Dargahi (2002) Şekil 1 de gösterildiği gibi, pervane akımının aşağıya ve yukarı doğru iki jet akımından meydana geldiğini ifade etmiştir. Aşağı doğru olan jet akımının türbülans karakteristikleri düz bir cidar üzerindeki sınır tabakası akımına benzerlik göstermektedir. FLUENT yazılımı ile yapılan hesaplamalarda aşağı doğru olan jet akımına ait hız profilleri dikkate alınmıştır. Dargahi (2002), prototip koşullarında tabana ulaşan jet hızının gemi gücüne bağlı olarak 15 m/s yi bulduğunu ifade etmiştir. Şekil 1 Gemi dümeni arkasında mevcut olduğu kabul edilen iki jet akımının şematik gösterimi (Dargahi, 2002) Bu çalşımada ½ şev eğimine sahip bir yanaşma yapısının pervane jeti etkisindeki davranışı incelenmiştir. Bu amaçla deneyler için 2 adet model kullanılmıştır. 1. Modelin topuğunun önünde (deniz tabanında) herhangi bir koruma tabakası bulunmazken, 2. Modelin topunun önüne daha koruma tabakasına göre daha ince malzemeden oluşan bir apron yerleştirilmiştir. Her iki durumda şevde oluşan hasarlar belirlenmiştir. 2. YÖNTEM Deneyler Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrolik ve Kıyı-Liman Laboratuarında yapılmıştır. Deneyler için öncelikler m 3 boyutlarında, ölçüm yapılan 6 m lik bölgesinde her iki tarafı cam, kalan kısımlarda her iki tarafı saç olan bir kanal inşaa edilmiştir. Şekil 2 de deney sistemi ve

3 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu çalışmada kullanılan modeller gösterilmiştir. Bunun ardından kanalın içine pervane jetini oluşturacak sistem kurulmuştur. Deney sisteminde kullanılan pervaneye ait özellikler Çizelge 1 de verilmiştir. Deneyler, 1:2 şev eğiminde gerceklestirilmistir. Şevde ve apronda kullanılan malzemeye ait özellikler sırasıyla d cn50 =8.62 mm, d fn50 =4.00 mm dir. Şekil 2. Deney Sistemi, a) Yandan görünüş (boykesit) b) Üstten görünüş c) çalışmada kullanılan modeller Çizelge 1 Pervane Özellikleri Pervane çapı, D 10 cm Kanat sayısı, N 4 Pitch, P 1.4 Kanat alan oranı, 0.4 İtiş katsayısı, C t 0.51 Bu çalışmada, akım alanında üç doğrultudaki hız değerleri ölçülmüştür. Deneylerde akım davranışını en doğru şekilde belirlemek için, akım alanını rahatsız etmeyen bir ölçüm aracı olan Akustic Dopler Hız Ölçer (Acoustic Doppler Velocimeter - ADV) in vectrino modeli kullanılmıştır. ADV, akustik dopler prensibine dayanan yüksek doğruluğa sahip, üç doğrultudaki hız bileşenlerini ölçen bir hız ölçerdir. Özellikle sınır tabakası ve bazı türbülans ölçümleri için oldukça elverişlidir ve birçok disiplinde kullanılmaktadır. (Sarker, 1998) Deneyler dikkate alınan prototip ve model boyutları Çizelge 2 de verilmiştir. Model geometrik olarak 1:25 oranında ölçeklidir. Hız için ise Froude modeli kullanılarak ölçeklendirme yapılmıştır.

4 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Çizelge 2 Prototip (Schokking, 2002) ve model boyutları Değişken Birimi Değeri Su derinliği m Şev eğimi - 1:2 1:2 Pervane ekseninin tabandan olan düşey mesafesi m Pervane çapı m Ortalama taban malzemesi çapı m Erozyon deneylerine geçilmeden önce 50 Hz için hız ölçümleri yapılmıştır. Hız ölçümlerinde mevcut malzemenin meydana getireceği pürüzlülüğü sağlamak için plesiglas bir levha üzerine taban malzemesi slikon kullanılark yapıştırılmış ve bu levha şevin üzerine yerleştirilmiştir. Hız ölçümleri gerçek pürüzlülüğü sağlayan bu plesiglas levhanın mevcut olduğu durumda gerçekleştirilmiştir. Erozyon deneylerinde sonuçlar kümülatif olarak verilmiştir. Bunun için, 560 rpm (40 Hz), 625 rpm (45 Hz) ve 690 rpm (50 Hz) dikkate alınmıştır. Deney sistemine ait bazı görüntüler Şekil 3 de verilmiştir. Şevde meydana gelen hasarın tanımlanabilmesi için olaya etkili değişkenler belirlendikten sonra Langhaar Metodu ile boyutsuz büyüklükler bulunmuştur. Bunlar, 2 2 F (Re, h / d n 50, x / d n 50, z / d n 50, A/ d n 50, Fr d, D p, D p / d n 50, s / ) 0 (1) Burada, A hasar alanı, D n50 sev malzemesine ait nominal çap, D p pervane çapı, Fr d yoğunluk Froude sayısı, g yerçekimi ivmesi, h su derinliği, Re Reynolds sayısı, u x yönündeki akım hızı, U 0 pervanenin çıkış hızı, x pervaneden olan yatay mesafe, y pervaneden olan düşey mesafe, r pervanenin içerisinde çalıştığı akışkanın yoğunluğu, m pervanenin içerisinde çalıştığı akışkanın viskozitesi. Böylece bu çalışma için rölatif oyulma bölgesi alanı aşağıdaki boyutsuzların fonksiyonu oldugu belirlenmistir. D A 2 n50 d f Fr (2) Yoğunluk Froude sayısı şu şekilde tanımlanmaktadır: Fr U gd / (3) d 0 / n50 s Şekil 3 Oluşturulan şev ve hız ölçümleri için yerleştirilen pürüzlendirilmiş plesiglas levha

5 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu SONUÇ VE ÖNERİLER Hız ölçümleri, sadece şev söz konusu olduğu durumda gerçekleştirilmiştir. Hız dağılımları, akım alanını rahatsız etmeyen bir ölçüm aracı olan Acoustic Doppler Hızölçer (ADV) ile belirlenmiştir. ADV nin ve hasar başlangıcının sınırları dikkate alınarak 690 rpm (cilalı tabanda hasar başlangıcı) için hız ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 de serbest pervane jeti için pervane doğrultusunda (0.5 x/d p 8) elde edilen eksenel hız dağılımları görülmektedir. Jet çıkışında pervane ekseninin etkisi açık bir şekilde görülmektedir. Bunun akabinde, x 2D p noktasından itibaren bu etki kaybolmaktadır. Şekil 4 Serbest pervane için pervane ekseni doğrultusunda elde edilen eksenel hız dağılımları 1. Model: Şev topuğu korumasız Şekil 5 ½ eğim için farklı pervane hızlarında şevde oluşan kümülatif deformasyonlar boyutsuz formda gösterilmektedir. Burada, Δz=z f -z i ve z f denge oyulma derinliği ve z i başlangıç değerini ifade etmektedir. Pervane etkisi altında koruma tabakasındaki malzemenin şevde aşağı doğrultuda ve aynı zamanda pervane eksenine göre yanal doğrultuda da hareket ettiği gözlemlenmiştir. Bu durum sonucunda şev toğuğunda oyulma oluşmakta ve pervane hızının artmasıyla topuktaki oyulmanın arttığı Şekil? de görülmektedir. Şevin üst kısımlarında ise malzemenin aşağı-yukarı doğrultuda hareket ettiği gözlemlenmiştir. Şekil 5 1. Model için şevde farklı rpm değerlerinde meydana gelen kümülatif hasarlar

6 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 2. Model : Şev topuğu korumalı Bu durum için şev topuğunda hemen sonar deniz tabanına, koruma tabakasına gore daha küçük boyutlardaki malzeme (d fn50 =4.00 mm ) ile bir apron oluşturulmuştur. Şekil 6 bu durum için şevde farklı pervane hızları etkisinde oluşan deformasyonlar görülmektedir. 1. Duruma benzer şekilde pervane hızlarının artmasıyla şevde meydana gelen hasar artmaktadır. Şekil 6 2. Model için şevde farklı rpm değerlerinde meydana gelen kümülatif hasarlar 1. ve 2. modellerde oluşan erozyon ve yığılma oluşumları karşılaştırıldığında, 2. Modeled şevin alt kısımlarında (topuğa yakın) yığılma alanlarının oluştuğu görülmektedir. Buna karşılık şevin üst kısımlarında erozyona uğrayan alan artmaktadır. Bunun sebebi, topuk önünde oluşturulan apronun topuktaki malzemenin hareketi engelleyerek şevden ayrılmasını önlemesidir. Şev topuğunda pervane jeti etkisinde yığılan bir alan oluşmakta ve bu durumun akım özelliklerini değiştiriği düşünülmektedir. Ancak akım alanındaki değişimin incelenmesi bu çalışma kapsamı dışındadır. Şekil rpm lik pervane hızı durumunda 1. ve 2. Modelde oluşan hasarlar birlikte verilmiştir. Topuk önünde apronun varlığının hasar oluşumunu değiştirdiği açık bir şekilde görülmektedir. Şekil 7 Her iki model için 690 rpm pervane hızımda şevde oluşan hasarlar Ayrıca şevde oluşan hasarlar, hasar parametresi ile belirlenmiştir. Hasar parametresi dalga etkisinde dalgakıran şevlerinde oluşan erozyona uğrayan alan için tanımlanmıştır. Van der Meer (1988), hasarı sakin su seviyesi bölgesinde oluşan erozyon alanı ile tanımlamıştır.

7 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu A S= D 2 n50 Burada, S hasar parametresi, -A, erozyona alanı ve D n50, taşın nominal çapıdır. Bu çalışmada, aynı tanımlama pervane etkisinde oluşan hasarı tanımlamak için kullanılmıştır. Van der Meer (1988) e gore hasar başlangıcı, S=2-3 ve tama hasar durumu S=8 durumunda oluşmaktadır. Şekil 8 de her iki model için hesaplanan hasar parametresinin yoğunluk Froude sayısına gore değişimi gösterilmiştir. Yoğunluk Froude sayısı arttıkça hasar artmaktadır. 2. Modeled oluşan hasar seviyeleri apronun varlığından dolayı 1. Modele gore daha düşüktür. Şekil 8 Her iki model için şevde oluşan hasar seviyelerinin yoğunluk Froude sayısıyla değişimi SONUÇLAR ½ şev eğimine sahip anroşmandan oluşan yanaşma yapılarının pervane jeti etkisindeki davranışını incelemek için yapılan çalışmada bulunan sonuçlar şu şekilde özetlenebilir: Her iki model için rpm in artmasıyla şevde oluşan hasarlar artmaktadır. Apronun varlığı şevdeki hasar biçimini değiştirmektedir. 1. Modelde topukta oyulma olurken, 2. Modelde topukta yığılma, şevin üst kısmında oyulma oluşmaktadır. Şevdeki hasarın yoğunluk Froude sayısı ve hasar parametresine değişimnin incelenmesi sonucunda, 2. Modeldeki hasar seviyesinin daha düşük olduğu belirlenmiştir. Pervane jetinin şev üzerindeki etkisi, farklı tip eğimler, farklı boyutlardaki pervenaler, farklı pervane yükseklikleri (deniz tabanından itibaren) gibi parametreler için araştırılmalıdır. Böylelikler bu problemin fiziği daha iyi anlaşılabilecektir. 5. TEŞEKKÜR Projeye vermiş olduğu destekten dolayı Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü ne teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Bergh, H., and Cederwall, K., Propeller erosion in harbours, Bulletin No TRITA-VBI-107, Hydraulics Laboratory, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, Chin, C.O., Chiew, Y.M., Lim, S.Y. ve Lim, F.H., Jet Scour Around Vertical Pile, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 122(2):59-67, Dargahi, B., Three Dimensional Modelling of Ship-Induced Flow and Erosion, Water & Maritime Engineering, 156: , 2003.

8 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Hamill, G. A., Johnston, H. T. ve Stewart, D. P., Propeller Wash Scour Near Quay Walls, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 125(4):15616, Longe, J. P., Herbert, P., and Byl, R., Problemes d erosion aux ouvrages de quai existants causes per le propulseurs d etrave et le helices principales de navires lors de leurs accostages ou appareillage, PIANC, Bull. No. 58, 16-43, Quarrain, R., Influence of the sea bed geometry and berth geometry on the hydrodynamics of the wash from a ships propeller, Ph.D. Thesis, The Queen s University of Belfast, Northern Ireland, Sarker, A. (1998), Flow Measurement Around Scoured Bridge Piers Using Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV), Flow Measurement and Instrumentation 9: Schokking, L.A., Bowthruster-induced Damage, MSc Thesis, Delft University of Technology, Van der Meer, J.W., 1988, Rock Slopes and Gravel Beaches under Wave Attack PhD Thesis, Delft Hydraulics Communication No: 396.