Akarsu Yatağındaki Bitki Örtüsünün Akım Şartlarına Etkisinin Sayısal Yöntemle İncelenmesi

Benzer belgeler
Taşkın Yatağında Bulunan Bitki Örtüsünün Akıma Etkisinin Sayısal Yöntemler İle İncelenmesi

KLİMA SANTRALLERİNDEKİ BOŞ HÜCRELER İÇİN TASARLANAN BİR ANEMOSTAT TİP DİFÜZÖRÜN AKIŞ ANALİZİ

Yrd. Doç. Dr. Tolga DEMİRCAN. Akışkanlar dinamiğinde deneysel yöntemler

HİDROLİK. Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU

AÇIK KANAL AKIMINDA PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDE TÜRBÜLANS BÜYÜKLÜKLERİ

YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

Numerical Investigation of the Effect of Needle Tilting Angle on Irrigant Flow Inside the Tooth Root Canal

KARAKURT BARAJI DOLUSAVAK YAPISI HİDROLİK KARAKTERİSTİKLERİNİN 3-BOYUTLU SAYISAL ANALİZLERLE BELİRLENMESİ

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

AKM 205 BÖLÜM 3 - UYGULAMA SORU VE ÇÖZÜMLERİ. Doç.Dr. Ali Can Takinacı Ar.Gör. Yük. Müh. Murat Özbulut

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 4

İSTANBUL BOĞAZI SU SEVİYESİ DEĞİŞİMLERİNİN MODELLENMESİ. Berna AYAT. İstanbul, Türkiye

GENİŞ BAŞLIKLI SAVAK ETRAFINDAKİ AKIMIN İNCELENMESİ

Sıvı Depolarının Statik ve Dinamik Hesapları

English for Academic Reading & Speaking I İngilizce Akademik Okuma ve Konuşma I. Introduction to Civil Engineering İnşaat Mühendisliğine Giriş

Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU Erzurum Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

Şekil 1. DEÜ Test Asansörü kuyusu.

Ürkmez Barajı Çarpıtılmış Modelinde Ani Göçme Sonucu Oluşan Taşkın Dalgalarının Deneysel Araştırılması

HİDROSTATİK BASINÇ KUVVETLERİN HESABI (Belirli bir yüzey üzerinde basınç dağılışının meydana getirdiği kuvvet)

AÇIK KANAL AKIMI. Hopa Yukarı Sundura Deresi-ARTVİN

SES-ÜSTÜ KANARD KONTROLLÜ FÜZELER İÇİN SERBEST DÖNEN KUYRUĞUN ŞEKİL OPTİMİZASYONU

SİLİNDİR SAVAKLAR İÇİN SAVAK KATSAYISI

English for Academic Reading & Speaking I İngilizce Akademik Okuma ve Konuşma I. Introduction to Civil Engineering İnşaat Mühendisliğine Giriş

AÇIK KANAL AKIMLARINDA HIZ DAĞILIMININ ENTROPY YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ. Mehmet Ardıçlıoğlu. Ali İhsan Şentürk. Galip Seçkin

NÖ-A NÖ-B. Şube. Alınan Puan. Adı- Soyadı: Fakülte No: 1. Aşağıda verilen fiziksel büyüklüklerin eşit olduğunu gösteriniz. 1/6

YÜKSEK FROUDE SAYILARINDA ÇALIŞAN HİDROFOİLLER ÜZERİNDE SERBEST SU YÜZEYİ ETKİSİ ÖZET

Ön şart D. Kodu Dersin Adı T U L AKTS MAT101. English for Academic Reading & Speaking I İngilizce Akademik Okuma ve Konuşma I

RÜZGAR YÜKÜNÜN BİR TİCARİ ARAÇ SERVİS KAPISINA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

ELASTİSİTE TEORİSİ I. Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

İÇİNDEKİLER. ÖNSÖZ... iii İÇİNDEKİLER... v

Yığma yapı elemanları ve bu elemanlardan temel taşıyıcı olan yığma duvarlar ve malzeme karakteristiklerinin araştırılması

Akışkanların Dinamiği

Baraj Göleti Su Alma Yapısı Sayısal Modeli

2. Basınç ve Akışkanların Statiği

TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

BİR OFİS İÇİN TERMAL KONFOR ANALİZİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ VE SAYISAL ÇÖZÜMÜ

KBM0308 Kimya Mühendisliği Laboratuvarı I BERNOLLİ DENEYİ. Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 1

AKADEMİK ÖZGEÇMİŞ VE YAYIN LİSTESİ

T.C. GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ AKIŞKANLAR MEKANİĞİ LABORATUVARI

AKARSULARDA KİRLENME KONTROLÜ İÇİN BİR DİNAMİK BENZETİM YAZILIMI

34. Dörtgen plak örnek çözümleri

AÇIK KANALLARDA DEBİ VE EŞİK YÜKSEKLİĞİ DEĞİŞİMİNİN SU YÜZEYİ PROFİLLERİNE ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

NÖ-A NÖ-B. Adı- Soyadı: Fakülte No:

KİRİŞLERDE PLASTİK MAFSALIN PLASTİKLEŞME BÖLGESİNİ VEREN BİLGİSAYAR YAZILIMI

ÇEV-220 Hidrolik. Çukurova Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Yrd. Doç. Dr. Demet KALAT

Dairesel Temellerde Taban Gerilmelerinin ve Kesit Zorlarının Hesabı

Açık Kanal Savak Akımlarında Debinin Farklı Yöntemler ile Belirlenmesi

English for Academic Reading & Speaking I İngilizce Akademik Okuma ve Konuşma I. Introduction to Civil Engineering İnşaat Mühendisliğine Giriş

AKM 205 BÖLÜM 6 - UYGULAMA SORU VE ÇÖZÜMLERİ Doç.Dr. Ali Can Takinacı Ar.Gör. Yük. Müh. Murat Özbulut

L KESİTLİ KİRİŞTE KAYMA MERKEZİNİN ANSYS İLE VE DENEYSEL YOLLA BULUNMASI

Derece Alan Üniversite Yıl Lisans Hidrodinamik, Gemi Model İstanbul Teknik Üniversitesi

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 9A GERİNİM ÖLÇER KULLANARAK GERİLİM ANALİZİ YAPILMASI

T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ (Y.L.) PROGRAMI EĞİTİM ÖĞRETİM YILI DERS KATALOĞU

İNSANSIZ HAVA ARACI PERVANELERİNİN TASARIM, ANALİZ VE TEST YETENEKLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Numerical Modeling of Flow Over a Trapezoidal Broad Crested Weir with k- Based Turbulence Models

ATIK SULARIN TERFİSİ VE TERFİ MERKEZİ

DÜZENLİ AKINTI DURUMUNDA TABANA OTURAN VE YARI GÖMÜLÜ ELİPTİK BİR SİLİNDİR ETRAFINDAKİ AKIMIN SAYISAL İNCELENMESİ

Enerji kırıcı yapıların etkinliğinin HAD yöntemi ile belirlenmesi

BATMIŞ YÜZEYLERE GELEN HİDROSTATİK KUVVETLER

Açık kanalda batmış bitkinin akıma etkisi

33. Üçgen levha-düzlem gerilme örnek çözümleri

DENİZ PETROL TLP-TİPLİ PLATFORMUN MODEL DİNAMİK İNCELENMESİ

3. AKIŞKANLARDA FAZ DEĞİŞİKLİĞİ OLMADAN ISI TRANSFERİ

TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

SIĞ SUDA YAN YANA SIRALI İKİ SİLİNDİR ARKASINDA OLUŞAN AKIŞ YAPISININ PASİF YÖNTEMLE KONTROLÜ 1

GEMİ EĞİLME MOMENTİ ve KESME KUVVETİ KESİT ZORLARININ BUREAU VERITAS KURALLARI ve NÜMERİK YÖNTEM ile ANALİZİ

STATİK AĞIRLIK MERKEZİ. 3.1 İki Boyutlu Cisimler 3.2 Düzlem Eğriler 3.3 Bileşik Cisimler. 3.4 Integrasyon ile ağırlık merkezi hesabı

KAYMA GERİLMESİ (ENİNE KESME)

Kirişlerde Kesme (Transverse Shear)

Hareket Kanunları Uygulamaları

DİNAMİK - 1. Yrd. Doç. Dr. Mehmet Ali Dayıoğlu Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü

SORULAR - ÇÖZÜMLER. NOT: Toplam 5 (beş) soru çözünüz. Sınav süresi 90 dakikadır. 1. Aşağıdaki çizelgede boş bırakılan yerleri doldurunuz. Çözüm.1.

Derin Çekme İşlemi Üzerine Kalıp Geometrisinin Etkisinin Sonlu Elemanlar Analizi

İzmir Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminali ne Etkileyen Rüzgâr Yüklerinin CFD Metotlarıyla Belirlenmesi

1. Aşağıda verilen fiziksel büyüklüklerin dönüşümünde? işareti yerine gelecek sayıyı bulunuz.

VENTURİMETRE DENEYİ 1. GİRİŞ

DENEY MONTAJ ŞEMASI I II III ON-OFF VALF BORU KESİTİ

4.Sıkıştırılamayan Akışkanlarda Sürtünme Kayıpları

Bernoulli Denklemi, Basınç ve Hız Yükleri Borularda Piezometre ve Enerji Yükleri Venturi Deney Sistemi

Mekanik Karıştırıcıların Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği ile Sayısal Modellenmesi

Alınan Puan NOT: Yalnızca 5 soru çözünüz, çözmediğiniz soruyu X ile işaretleyiniz. Sınav süresi 90 dakikadır. SORULAR ve ÇÖZÜMLER

Rijit Gövdeli Bitkilerin Neden Olduğu Manning Katsayısının Araştırılması *

Borularda Akış. Hesaplamalarda ortalama hız kullanılır.

TOA06 SÜRÜKLENME KANALLI TAŞKIN YATAKLARDA MİNİMUM TAŞKINLAŞMA HIZININ BELİRLENMESİ

İ çindekiler. xvii GİRİŞ 1 TEMEL AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ BERNOULLİ DENKLEMİ 68 AKIŞKANLAR STATİĞİ 32. xvii

Ders Notları 3 Geçirimlilik Permeabilite

İnşaat Mühendisliği Bölümü Uygulama VIII ÇÖZÜMLER

SIZDIRMAZLIK ELEMANLARININ MONTAJI VE YÜKSEK BASINÇ ALTINDAKİ DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ

T.C. İZMİR KÂTİP ÇELEBİ UNIVERSITY FACULTY OF ENGINEERING AND ARCHITECTURE DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING. Course Name T P L ECTS

Akışkanların Dinamiği

ÇOK KATLI BETONARME YAPILARIN DİNAMİK ANALİZİ

İnşaat Mühendisliği Bölümü UYGULAMA 8 SERBEST YÜZEYLİ AKIMLAR

Çok Katlı Yapılarda Burulma Düzensizliği

ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KMB-305 KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI I

Aktif Titreşim Kontrolü için Bir Yapının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Modelinin Elde Edilmesi ve PID, PPF Kontrolcü Tasarımları

STATİK. Ders_9. Doç.Dr. İbrahim Serkan MISIR DEÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü. Ders notları için: GÜZ

Gerçekte yükler yayılı olup, tekil yük problemlerin çözümünü kolaylaştıran bir idealleştirmedir.

Transkript:

Akarsu Yatağındaki Bitki Örtüsünün Akım Şartlarına Etkisinin Sayısal Yöntemle İncelenmesi Selcan Sovukluk D.S.İ. Genel Müdürlüğü, Devlet Mah., İnönü Bulv., No:16, Ankara Tel: (312) 454 52 21 E-Posta: selcansovukluk@hotmail.com Önder Koçyiğit Gazi Ünv. Mühendislik Fak. İnşaat Müh. Böl. 06570 Maltepe-Ankara Tel: (312) 582 32 12 E-Posta: konder@gazi.edu.tr Bahadır Alyavuz Gazi Ünv. Mühendislik Fak. İnşaat Müh. Böl. 06570 Maltepe-Ankara Tel: (312) 582 32 13 E-Posta: balyavuz@gazi.edu.tr Öz Doğal akarsuların ana yatağında ve/veya taşkın yataklarında bulunan bitki örtüsü, akım yapısını ve dolayısıyla hidrolik direnci önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle bu tür fiziksel koşulların özel olarak incelenmesi gerekir. Literatürde bu konuda yapılmış birçok deneysel araştırma çalışmasının yanı sıra bazı özel durumlar için sınırlı sayıda analitik çözüm öneren çalışmalar da mevcuttur. Bu çalışmalar incelendiğinde akarsu içerisindeki akım yapısının daha genel koşulları dikkate alarak belirlenebilmesi için deneysel çalışmaları destekleyici sayısal modellere ihtiyaç olduğu görülmektedir. Bu çalışmada, bitki örtüsü içeren açık kanal akımı, akışkanlar dinamiği uygulamalarına yönelik bir bilgisayar programı (ANSYS-CFX) ile modellenmiştir. Modelden elde edilen sonuçlar, literatürde yer alan laboratuvar koşullarında oluşturulmuş bitki örtülü kanal modelinden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalı sonuçlar, oldukça karmaşık engel yapısına sahip akarsu kesitlerinde hidrodinamik özelliklerin bilgisayar programı kullanılarak belirlenebileceğini göstermiştir. Anahtar sözcükler: Bitki örtüsü, Modelleme, Akım, Sonlu Elemanlar, ANSYS-CFX. Giriş Nehirlerde hidrolik açıdan habitat koşullarının tanımlanabilmesi için akım hızlarının tahmini gerekmektedir. Nehir içerisinde yer alan bitkilerin akım hızını oldukça önemli miktarda etkilemesi nedeniyle konu ile ilgili çok sayıda fiziksel ve matematiksel modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Günümüzde deneysel ve analitik çözüm yaklaşımı içeren matematiksel yöntemlere ek olarak sayısal yöntemlerin kullanımının arttığı literatür incelemesinden görülmektedir. 4. Su Yapıları Sempozyumu 361

Bu çalışmaların çoğunluğunun ortak özelliği laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deney verileri ile akımı tanımlayan diferansiyel denklemlerden oluşan matematiksel modelin sayısal çözümünden elde edilen sonuçların karşılaştırılması şeklindedir. İlk deneysel çalışmalar rijit gövdeli bitki örtüsü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Örneğin Nepf (1999), Bennett ve diğ. (2002), Ghisalberti ve Nepf (2004), Wilson ve diğ. (2008), Yagci ve Kabdasli (2008), Tanino ve Nepf (2008) rijit bitki gövdesini temsil eden elamanlar kullanarak kanal içerisinde akıma karşı oluşan direnci ve bu durumun akım şartlarına etkilerini deneysel çalışmaları ile araştırmışlardır. Bu çalışmalar incelendiğinde, bitkinin akım içerisinde batmış veya batmamış durumu için farklı hız profilleri elde edildiği görülmektedir. Özellikle Nepf in literatürde konu ile ilgili çok sayıda çalışması mevcuttur. Yapılan deneylerde bitki örtüsünün fiziksel olarak modellenmesi amacıyla genellikle bitki gövdesi için silindirik ahşap malzeme kullanılmıştır (Nepf (1999), Dorcheh (2007)). Bununla birlikte Wilson ve diğ. (2006) ve Luhar ve Nepf (2011) çalışmalarında doğal bitkilerden yararlanmışlardır. Wilson ve diğ. (2006) yaprak etkisinin toplam bitki direnci içerisindeki etkisini incelemiştir. Deneysel çalışmalarda, akıma engel teşkil eden bitki gövdelerinin planda dizilişleri ve kullanılan gövde çapları araştırma açısından düşünülmesi gereken bir diğer konudur. Birçok çalışmada düzenli bitki dizilişi ve sabit bitki gövdesi çapı kullanılmakla birlikte Tanino ve Nepf (2008) rastgele çapa sahip ve oldukça düzensiz bitki dizilişleri denemişlerdir. Bernett ve diğ. (2002) ise kanal içerisinde farklı bölgelerde ve özellikle kanal kenarlarında kümelenmiş bitki dağılımı şekli kullanmışlardır. Bu bitki dağılımı ile özellikle menderesli nehirlerde oluşan akım yapısına benzer bir durumu incelemişlerdir. Bitki örtüsünün rijit veya esnek olması durumları için yapılan deneysel çalışmalara ek olarak sayısal çözüm yöntemlerinin kullanıldığı çalışmalar da bulunmaktadır. Wilson ve diğ. (2006), Fischer ve diğ. (2010), Erduran ve Kutija (2003), Kim (2011) gibi araştırmacılar bitki örtüsü etkisini, akışkanlar dinamiği prensipleri ile oluşturdukları matematiksel modelleri, sayısal çözüm yöntemleri kullanarak tespit etmeye çalışmışlardır. Fakat bu tür modeller ve çözüm yöntemleri genellikle özel akım koşullarının araştırılması amaçlı olup, farklı araştırmacı ve mühendislerin kullanımı açısından oldukça sınırlıdırlar. Bu nedenle hesaplamalı akışkanlar dinamiği problemlerinin çözümünü amaçlayan, genel kullanıma uygun, sınır koşullarının kullanıcı tarafından kolay tanımlanabildiği ve sonuçların hem sayısal hem de görsel olarak sağlandığı yazılımlar geliştirilmektedir. Benzer durum akarsu içerisindeki akım yapısının incelenmesi için geçerlidir. Koçyiğit ve Alyavuz (2014), Stamou ve diğ. (2011), Gümüş ve diğ. (2010), Najmeddin (2012), Dewangan ve diğ. (2008) konu ile ilgili çalışmalarında hesaplamalı akışkanlar dinamiği uygulamalarına yönelik bir yazılım olan ANSYS-CFX i kullanmışlardır. Bu çalışmada, Dorcheh (2007) tarafından yapılmış geniş dikdörtgen kanal içerisine düşük yoğunlukta yerleştirilmiş, kısmi batık bitkileri temsil eden rijit silindirik çubukların kullanılmış olduğu deney verilerinden yararlanılarak sayısal çözümlemeler yapılmıştır. Sayısal çözümden elde edilen serbest su yüzeyi, boyuna ve enine doğrultudaki eş hız eğrileri ile karşılaştırmalı hız profilleri sunulmaktadır. 362 4. Su Yapıları Sempozyumu

Deneysel Yöntem Dorcheh, yaptığı deneylerde rijit bitki örtüsü içeren farklı açık kanal tiplerinde akımın hız ve türbülans karakteristiklerini incelemiştir. Deneylerde kullanılan kanal tipleri dar ve geniş dikdörtgen kanal ile birleşik kesitli bir kanaldır. Birleşik kesitli kanal durumunda taşkın yataklarına tamamen batık bitkilerden oluşan durum incelenmiştir. Dikdörtgen kesitli kanalda iki farklı kanal genişliği kullanılmıştır. Bunlar dar ve geniş olarak adlandırılmıştır. Her iki kanalda da tamamen veya kısmen suya batmış bitkilerden oluşan durumlar için deneyler yapılmıştır. Düşük, orta ve yüksek yoğunluklu bitki örtüsü durumları ele alınmıştır. Geniş dikdörtgen kanal deneylerinde hız bütün kanal en kesiti boyunca ölçülmüştür. 2000 6000 Ölçüm noktaları Rijit çubuk7lar P4 P3 P2 P1 Kesit-1 200 (a) 2000 300 1200 200 (b) Kesit-2 Rijit çubuklar Ölçüm noktaları 1200 (c) 300 30 60 60 120 1200 120 60 30 275 250 200 150 100 50 Şekil 1. a) Kanal geometrisi, b) çubukların ve ölçüm alınan noktaların planı c) en kesit görünüşü (tüm ölçüler mm dir). Deneyler, laboratuvar ortamında, genişliği 1,2 m, boyu 10 m, derinliği 0,3 m, en yüksek akım derinliği 0,275 m ve boyuna yatak eğimi 0,001 olan çevrimli, dikdörtgen kesitli bir deney kanalında gerçekleştirilmiştir (Şekil 1-a). Bitki örtüsünü temsil eden çubukların çapları sabit ve 24 mm dir. Çubuk boyları ise 300 mm olacak şekilde tasarlanmıştır. Akım doğrultusunda çubuklar arasındaki mesafe 200 mm, akım en kesiti yönünde çubuklar arasındaki mesafe ise 120 mm dir. Tüm deneylerde debi, 15 l/s olacak şekilde ayarlanmıştır. Hız ölçümleri, kesit 1 ve kesit 2 olarak belirtilen iki farklı en kesitte gerçekleştirilmiştir (Şekil 1-b). Bu iki ölçüm kesiti, giriş ve çıkış etkilerini en aza indirmek için kanal boyunca orta uzunluğa yakın bir bölgede seçilmiştir. Kesit-1, bitki örtüsü bitiş bölgesine 4,4m ve kesit-2 ise 1,4m mesafede bulunmaktadır. Kanal 4. Su Yapıları Sempozyumu 363

genelinde ölçüm noktaları, çubuk aralarında ve arkalarında yer almaktadır. Düşey yönde alınan hız verileri, kanal tabanının 50 mm üzerinden başlayarak 50 mm aralıklarla 50, 100, 150, 200, 250, 275 mm de gerçekleştirilmiştir. Tüm kanal en kesiti boyunca nokta hızlarının ölçümü için üç boyutlu hız ölçüm cihazı kullanılmış, her bir noktada ölçüm süresi üç dakika ve ölçüm frekansı 25 Hz olarak ayarlandığı belirtilmiştir. Sayısal Model Bu çalışmada bitki örtüsü içeren açık kanal akımı ANSYS-CFX yazılımı ile modellenmiştir. Bu yazılım ile birden fazla akışkanın bulunduğu çok fazlı akım modeli oluşturulabilmektedir. Açık kanal akımı da çok fazlı akım problemi olarak ele alınabilir. Burada su (sıvı fazı) ve havanın (gaz fazı) bulunduğu bir hacim ve iki faz arasında serbest hareket edebilen bir ara yüzey bulunmaktadır. Bu ara yüzey, genellikle şekli belirlenmek istenen problem özelliklerinden biridir. ANSYS-CFX çok fazlı akım probleminin çözümünde homojen ve homojen olmayan çoklu akım modeli kullanır (ANSYS Documentation). Burada açık kanal akımı için homojen çoklu akım modeli kullanılmıştır. Bu model ayrıca bir çeşit Volume of Fluid, VOF yöntemi olarak değerlendirilir (Stenmark, 2013). Homojen modelde, fazlar arasındaki ara yüzey sürekliliğini korur. Homojen olmayan modelde ise fazlardan biri parçalanıp diğer fazın içinde yer alabilir. Sayısal modelde kullanılan ve akımı tanımlayan ana denklemler, U 0, (1) t U U U p τ S, (2) t M T 2 τ U U δ U, (3) 3 şeklindedir. Burada, ρ yoğunluk, gradyan operatörü, U hız vektörü, t zaman, τ gerilme tensörü, S M kaynak terimi, μ viskozite, δ birim matris olarak tanımlanmaktadır. Eşitlik (1) süreklilik denklemini, Eşitlik (2) ise momentumun korunumunu ifade etmektedir. Bu denklemlerin indis notasyonu ile yazılmış şekli ve diğer açıklamalar ANSYS CFX,- Solver Theory Guide (2009) da yer almaktadır. Problem geometrisi ve çözüm ağı özellikleri Deneylerde kullanılan açık kanal geometrisi ANSYS Workbench ara yüzünde yer alan Design Modeler bölümünde oluşturulmuştur. Bu kanala ait geometri Şekil 2 de görülmektedir. Bu modelde, akım başlangıcında oluşabilecek düzensizlikleri en aza indirebilmek için kanal boyu 20 m ye çıkarılmıştır. Bitki örtüsünü temsil eden çubuklar, kanal başlangıcının 6m ilerisinden itibaren yerleştirilmiştir. 364 4. Su Yapıları Sempozyumu

Koordinat ekseni başlangıcı 6m Kanal enine kesiti 6m 8m Şekil 2. ANSYS ortamında oluşturulan model geometrisi ve enine kesit Deneysel çalışmada belirtilen çubuk aralıklarına göre toplamda 300 adet çubuk yerleştirilmiştir. Problem geometrisi düşük yoğunluktaki bitki örtüsü içeren kanal için simetrik olmadığından herhangi bir simetri kolaylaştırılması yapılmamıştır. Çözüm ağı ANSYS Workbench ara yüzü kullanılarak oluşturulmuştur. Bu bölümde yazılım, geometriye uygun bir çözüm ağını otomatik olarak oluşturmaktadır. Çözüm ağının oluşturulması sırasında temel eleman şekli ve boyutu gibi kullanıcı tanımlamaları yapılabilmektedir. Bu çalışmada, iki tip çözüm ağı kullanılmıştır. Şekil 3-a da gösterilen birinci tip çözüm ağı (mesh-1) 459.942 adet elemana sahiptir. İkinci tip (mesh-2) çözüm ağında ise 519.045 adet eleman kullanılmıştır. Birinci tip çözüm ağında giriş ve çıkış bölgelerinde kullanılan eleman boyutu ikinci tip çözüm ağına göre daha büyük seçilmiştir. Ayrıca, her iki tip çözüm ağı için ANSYS-CFX, çözüm sırasında sonlu elemanlar ağını sıklaştırarak su ve hava birleşim bölgelerinde daha iyi bir ara yüzey oluşturmaktadır. Başlangıç ve sınır şartları Kanal giriş sınır şartı olarak normal hız şartı seçilmiş ve sınırdan geçen akımın hızı 0.045m/s olarak alınmıştır. Kanal çıkış sınır şartı ise statik basınç olarak tanımlanmıştır. ANSYS CFX yazılımı hız ve basınç içeren çeşitli giriş-çıkış sınır şartı tanımlamalarına olanak sağlamaktadır. ANSYS CFX Solver Modeling Guide tarafından giriş sınır şartının hız, çıkış sınır şartının statik basınç olarak tanımlandığı durumun sayısal çözüm açısından en stabil sınır şartı olduğu belirtilmektedir. Ayrıca aynı referansta statik basınç şartının kullanılacağı sınırın çevrimsel akım olan bir bölgede olması durumunda çözümde yakınsama probleminin de olabileceği belirtilmektedir. Mevcut durumda kanal çıkış bölgesi, kanal içindeki rijit çubuklara belirtilen probleme yol açmayacak uzaklıkta yer almaktadır. Kanal yan duvarı, taban sınır şartı ve silindir duvarları; No Slip Wall şartı ve duvar pürüzlülüğü için Smooth Wall şartı kullanılmıştır. k-ε türbülans modelinde kullanılacak Intensity Length Scale eddy uzunluk parametresi giriş su yüksekliği olan 0.275m olarak seçilmiştir. 4. Su Yapıları Sempozyumu 365

(a) (b) Şekil 3. Workbench çözüm ağı, a) mesh-1 b) mesh-2 SONUÇLAR Sınır şartları, geometrik ve hidrolik özellikleri verilen bir deney kanalı için çalıştırılan ANSYS-CFX programından kanal boyunca üç eksende hızlar ve kesitin her noktasında su seviyesi sonuçları elde edilebilmektedir. Model grafik ara yüzü, kullanıcının belirlediği bir noktada veya bir kesitte sonuçları grafik olarak çizebilmektedir. Şekil 4 de, rijit çubukların başlangıç bölgesinde oluşan çalkantılar ve su seviyesi gösterilmiştir. Sayısal modelden elde edilen kanal boyuna yönündeki hız sonuçları kanal ekseni merkezinden geçen z=0,6m deki bir boy kesit üzerinde gösterilmiştir. Boyuna yöndeki profilin uzun olması nedeniyle sonuçlar, üç kısımda; kanalda bitki başlangıç bölgesinde, bitki orta bölgesinde ve bitki örtüsünün bittiği bölgede ayrı olarak çizilmiştir. Şekil 5- a da görülen bitki örtüsünün başlangıç bölgesinde giriş hızı olan 4,5 cm/s hızın, ilk çubukta 7 cm/s seviyesine ulaştığı ve su yüzeyine yakın bölgede hızlı bir değişim olduğu gözlenmektedir. Bitki örtüsü orta bölgesinde ise tabana ve rijit silindirlere yakın bölgede hızın artarak 7 cm/s seviyesinde olduğu, su yüzeyine yakın bölgelerde ise hızın 2,5 cm/s olduğu görülmektedir (Şekil 5-b). Bitki örtüsünün son bölümünün gösterildiği Şekil 5-c de tabana yakın bölgede 5,5 cm/s, yüzeye yakın bölgelerde ise 2,5 cm/s mertebesinde hızlarla suyun bu bölgeyi terk ettiği görülmektedir. 366 4. Su Yapıları Sempozyumu

(a) (b) Şekil 4. Su Yüzeyi Profili a) mesh tipi 1, b) mesh tipi 2 x=9 m den geçen kanal en kesitindeki boyuna doğrultudaki hız dağılımı Şekil 6 da görülmektedir. Bu kesit tam olarak çubukların merkezinden geçmektedir. Kanal kenarlarında geometrinin simetrik olmaması nedeniyle simetrik olmayan bir hız dağılımı gözlenirken, iç bölgelerde simetriğe yakın bir hız dağılımı bulunmaktadır. Çubuk aralarında, kanal tabanında sıfır olan hız tabana yakın bölgede 7cm/s mertebesine çıkmakta, derinlik azaldıkça 3 cm/s mertebesine düşmektedir. Çubuk kenarlarında akım, no slip wall sınır şartı nedeniyle sıfır hıza sahiptir. Deneyde ölçüm alınan noktalardaki boyuna doğrultudaki hızların karşılaştırılması Şekil 7 de sunulmaktadır. Bu noktalar bitki örtüsünün başladığı yerden 1,7 m, sayısal modeldeki kanalın giriş bölgesinden ise 7,7 m ilerideki kesit-1 olarak isimlendirilen kesitte yer almaktadır. Kanal duvarına yakın z=0,03m (Şekil 1-b, P1) ve z=0,27m (Şekil 1-b, P2) de deney ve ANSYS CFX sonuçları genel olarak uyumlu sonuçlar vermektedir. Bu noktalar tam olarak çubuk arkasında yer almaktadır. Diğer iki ölçüm noktası olan z=0,57m (Şekil 1-b, P3) ve z=0,93m de (Şekil 1-b, P4) kanal tabanına yakın bölgedeki hızlar uyumlu görünürken, su yüzeyi seviyesine yaklaştıkça ANSYS CFX in deney sonuçlarına göre daha düşük hızlar verdiği görülmektedir. P3 ve P4 noktaları Şekil 1 de görüldüğü gibi tam olarak iki çubuk arasında yer almaktadır. Bu noktaların membaında yer alan çubukların akıma etkileri nedeniyle bu ölçüm noktaları girişim bölgesi içerisinde kalmaktadır. Bu çalışmada kullanılan farklı çözüm ağı yapılarına ek olarak silindirik çubuklar etrafındaki eleman ağı özelliklerinin ve yazılım içerisinde yer alan diğer türbülans modellerinin bu bölgedeki sonuçlara etkisinin araştırılması gerekmektedir. 4. Su Yapıları Sempozyumu 367

(a) Bitki örtüsü başlangıç bölgesi (z=0,6m'deki boy-kesit) (b) Bitki örtüsü orta bölgesi (z=0,6m'deki boy-kesit) (c) Bitki örtüsü bitiş bölgesi (z=0,6m'deki boy-kesit) Şekil 5. Kanal boy-kesitinde boyuna doğrultuda hızın değişimi (Mesh tipi 2) Şekil 6. Kanal en-kesitinde boyuna doğrultudaki hızın değişimi (Mesh tipi 2, x=9m) 368 4. Su Yapıları Sempozyumu

30 25 x=7,7m, z=0,03m 30 25 x=7,7m, z=0,27m Derinlik (cm) 20 15 10 Derinlik (cm) 20 15 10 Dorcheh (2007) ANSYS (mesh-1) 5 5 ANSYS (mesh-2) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 u (cm/s) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 u (cm/s) 30 25 x=7,7m, z=0,57m 30 25 x=7,7m, z=0,93m Derinlik (cm) 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 u (cm/s) Derinlik (cm) 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 u (cm/s) Dorcheh (2007) ANSYS (mesh-1) ANSYS (mesh-2) Şekil 7. Boyuna doğrultuda hızın derinlik boyunca değişimi ANSYS, Help System, ANSYS, Inc. Kaynaklar ANSYS CFX-Solver Theory Guide (2009), Release 12.1. Bennett, S.J., Pirim, T. and Barkdoll, BD (2002) Using simulated emergent vegetation to alter stream flow direction within a straight experimental channel, Geomorphology, Vol. 44, (1-2), pp.115-126. Dewangan, N., Das A. K. and Das, P. K. (2008) Free surface flow over a bump with hydraulic jump, Proceedings of the 4 th BSME-ASME International Conference on Thermal Engineering, 27-29 December, 2008, Dhaka, Bangladesh. Dorcheh, S. A. M. (2007) Effect of rigid vegetation on the velocity, turbulence and wave structure in open channel flows, PhD Thesis, Cardiff University, Wales, U.K. Erduran, K.S. and Kutija, V. (2003) Quasi-three-dimensional numerical model for flow through flexible, rigid, submerged and non-submerged vegetation. Journal of Hydroinformatics, Vol.5, (3), pp.189 202. Fischer, A.T., Stoesser, T., Bates, P. and Olsen, N.R.B. (2010) 3D numerical modelling of open channel flow with submerged vegetation, Journal of Hydraulic Research, Vol. 39, (3), pp. 303-310. 4. Su Yapıları Sempozyumu 369

Ghisalberti, M. and Nepf, H.M. (2004) The limited growth of vegetated shear layers, Water Resources Research, Vol. 40, (7), pp.1-12. Gümüş, V., Aköz, M.S. ve Kırkgöz, S. (2013) Kapak mansabında batmış hidrolik sıçramanın deneysel ve sayısal modellenmesi, Teknik Dergi, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Cilt 24, (2), s. 6379-6397, Ankara. Kim, S.J. (2011) 3D numerical simulation of turbulent open-channel flow through vegetation, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, USA. Koçyiğit, Ö. ve Alyavuz, B. (2014) Dikdörtgen kesitli açık kanal akımında silindirik engel çevresinde akımın incelenmesi, 3. Su Yapıları Sempozyumu, 7-8 Aralık 2013 TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası Ankara Şubesi, Sempozyum Kitabı, s. 133-141, İMO Oda yayın No: E714/02, Ankara. Luhar, M. and Nepf, H.M. (2011) Flow-induced reconfiguration of buoyant and flexible aquatic vegetation, Limnology and Oceanography, Vol. 56, (6), pp. 2003-2017. Najmeddin, S. (2012) CFD modelling of turbulent flow in open-channel expansions, MSc. Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada. Nepf, H.M. (1999) Drag, turbulence, and diffusion in flow through emergent vegetation, Water Resources Research, Vol. 35 (2), 479-489. Stamou, A.I., Papadonikolaki, G., Gkesouli, A. and Nikoletopoulos, A. (2011) Modelling the effect of vegetation on river floodplain hydraulics, Proceedings of the 12 th International Conference on Environmental Science and Technology, Rhodes, 8-10 Semptember 2011, pp. 1818-1825, Greece. Stenmark, E. (2013) On Multiphase Flow Models in ANSYS CFD Software MSc. Thesis, Department of Applied Mechanics Division of Fluid Dynamics Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden. Tanino, Y. and Nepf, H.M. (2008) Laboratory investigation of mean drag in a random array of rigid, emergent cylinders, Journal Of Hydraulic Engineering, Vol. 134, (1), pp. 34-41. Wilson, C. A. M. E., Hoyt, J. and Schnauder, I. (2008) Impact of foliage on the drag force of vegetation in aquatic flows, Journal Of Hydraulic Engineering, Vol. 134, (7), pp. 885-891. Wilson, C. A. M. E., Yagci, O., Rauch, H.P. and Olsen, N. R. B. (2006) 3D numerical modelling of a willow vegetated river/floodplain system, Journal Of Hydrology, Vol. 327, (1-2), pp.13-21. Yagci, O. and Kabdasli, M.S. (2008) The impact of single natural vegetation elements on flow characteristics, Hydrological Processes, Vol. 22, (21), pp. 4310-4321. 370 4. Su Yapıları Sempozyumu