Ilısu Barajı ve HES Projesi Dolusavak Havalandırıcısının Performans Değerlendirmesi

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

Yukarı Kaleköy Barajı ve HES Dolusavak Hidrolik Model Deneyleri

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

DERİNER BARAJI TÜNELLİ DOLUSAVAK HAVALANDIRICILARI BÜYÜK ÖLÇEKLİ HİDROLİK MODEL ÇALIŞMALARI

Dolusavaklarda Hidrolik Karakteristiklerin Sayısal Analiz Yöntemi ile Belirlenmesi

BASAMAKLI DOLUSAVAKLARIN AKIMIN ENERJİSİNİ SÖNÜMLEME ÖZELLİĞİNİN SAYISAL ANALİZİ

ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ.

Baraj Göleti Su Alma Yapısı Sayısal Modeli

HİDROLİK. Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU

GENİŞ BAŞLIKLI SAVAK ETRAFINDAKİ AKIMIN İNCELENMESİ

YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

Su Yapılarında Fluent Uygulamaları

20 (1), , (1), ,

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

KAYMALI YATAKLAR I: Eksenel Yataklar

ÇÖZÜMLER ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) İnşaat Mühendisliği Bölümü Uygulama VII

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

Enerji kırıcı yapıların etkinliğinin HAD yöntemi ile belirlenmesi

Akarsu Geçişleri Akarsu Geçişleri

EŞİKLİ VE EŞİKSİZ BASAMAKLI TİP DOLUSAVAKLARIN ENERJİ SÖNÜMLENMESİ AÇISINDAN KARŞILAŞTIRILMASI

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

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

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

DENİZ HARP OKULU MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ. Akışkanlar Mekaniği MKM-312 3/I (4+0+0) 4 3

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ. Akışkanlar Mekaniği MK-312 3/Güz (3+1+0) 3.5 7

AKIŞKANLAR MEKANİĞİ-II

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

YAVAŞ DEĞİŞEN ÜNİFORM OLMAYAN AKIM

Baraj Yıkılması Sonrasında Taşkın Yayılımının Sayısal Modeli. Ürkmez Barajı

Bahar. Su Yapıları II Dolusavaklar. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL. Yrd. Doç. Dr. Burhan ÜNAL Bozok Üniversitesi n aat Mühendisli i Bölümü 1

AÇIK KANAL AKIMI. Hopa Yukarı Sundura Deresi-ARTVİN

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

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

ÇİNE BARAJI BASAMAKLI DOLUSAVAĞI MODELİ HİDROLİĞİ

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

(b) Model ve prototipi eşleştirmek için Reynolds benzerliğini kurmalıyız:

0(312)

HEC serisi programlarla Ardışık barajların taşkın önleme amaçlı işletilmesi Seyhan Havzasında Çatalan-Seyhan barajları örneği

RİSKLİ YAPILARIN TESPİT EDİLMESİNE İLİŞKİN ESASLAR. 4- Özel Konular

YÜKSEK FROUDE SAYILARINDA ÇALIŞAN HİDROFOİLLER ÜZERİNDE SERBEST SU YÜZEYİ ETKİSİ ÖZET

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

Sıvı Depolarının Statik ve Dinamik Hesapları

ATIK SULARIN TERFİSİ VE TERFİ MERKEZİ

Bölüm 8: Borularda sürtünmeli Akış

RÜZGAR YÜKÜNÜN BİR TİCARİ ARAÇ SERVİS KAPISINA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Dolusavak Akımlarının Modellemesinde Sayısal Hesaplama Yönteminin Güvenli Kullanımı

VENTURİMETRE DENEYİ 1. GİRİŞ

HELİKOPTER KANADINDA OLUŞAN AŞINMANIN CFD İLE 3D OLARAK MODELLENMESİ ÖZET GİRİŞ

BASAMAKLI KANALLAR BOYUNCA OLUŞAN AKIMLARDA ENERJİ SÖNÜMLENMESİNİN ARAŞTIRILMASI

ÇÖZÜMLER. γ # γ + z A = 2 + P A. γ + z # # γ # = 2 + γ # γ + 2.

Ermenek Barajı Göl Alanı Genel Görünümü

SU YAPILARI. 2.Hafta. Genel Tanımlar

ÖN ÇÖKTÜRME HAVUZU DİZAYN KRİTERLERİ

ENERJİ ÜRETİMİ VE SULAMA KRİTERLERİNE GÖRE REZERVUAR KAPASİTE OPTİMİZASYONU

TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

TEMEL İNŞAATI ŞERİT TEMELLER

Akışkanların Dinamiği

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

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

INS13204 GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİ

34. Dörtgen plak örnek çözümleri

İnşaat Mühendisliği Bölümü Uygulama VIII ÇÖZÜMLER

26 Santral Kuyruksuyu Kotu (m) m 27 İletim Yapısı CTP Boru (basınçlı) 28 İletim Yapısı Uzunluğu (m) İletim Yapısı Eğimi ( j ) Değişken

Suyun bir yerden bir başka yere iletilmesi su mühendisliğinin ana ilgi konusunu oluşturur. İki temel iletim biçimi vardır:

DERİVASYON VE DİPSAVAK TASARIMI İnş. Y. Müh. MURAT IŞILDAK

SU YAPILARI. 2.Hafta. Genel Tanımlar

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

BİR ASANSÖR KABİNİ SÜSPANSİYONU İÇİN DÜŞME ANALİZİ

TOA06 SÜRÜKLENME KANALLI TAŞKIN YATAKLARDA MİNİMUM TAŞKINLAŞMA HIZININ BELİRLENMESİ

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

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

KATI MADDELERİN KRİTİK HAREKET HIZLARINA DANE YAYVANLIĞININ ETKİSİ

İçindekiler 1 GENEL KAVRAM ve TANIMLAR 2 TEMEL YASALAR ve KORUNUM DENKLEMLERİ vii

BARAJLAR. T.C. ORMAN ve SU İŞLERİ BAKANLIĞI DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ DSİ 4. BÖLGE BARAJLAR VE HES ŞUBE MÜDÜRLÜĞÜ 1/ 33

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

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ HİDROLİK LABORATUVARI ÇALIŞMA EKİBİ

RADYATÖR FAN TASARIMI. Ahmet Açıkgöz, Mustafa Ö. Gelişli, Emre Öztürk. ANOVA Mühendislik.

ŞÜTLERDEKİ ENERJİ KIRICI BLOKLARIN AKIMIN HİDROLİK KARAKTERİSTİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİNİN SAYISAL ANALİZİ

Bölüm 5: Sonlu Kontrol Hacmi Analizi

VANTİLATÖR DENEYİ. Pitot tüpü ile hız ve debi ölçümü; Vantilatör karakteristiklerinin devir sayısına göre değişimlerinin belirlenmesi

KAYMALI YATAKLAR-II RADYAL YATAKLAR

KAYMALI YATAKLAR. Kaymalı Yataklar. Prof. Dr. İrfan KAYMAZ. Erzurum Teknik Üniversitesi. Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü

Kirişli Döşemeli Betonarme Yapılarda Döşeme Boşluklarının Kat Deplasmanlarına Etkisi. Giriş

Beton Melike Sucu ZEMİN BETONLARINDA KALSİYUM ALÜMİNAT ÇİMENTOSU KULLANIMI. Nisan, 17

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. BÖLÜM 7. Adi Diferansiyel Denklemlerin Sayısal Çözümü

ZEMİN SUYU Zeminde Su Akımı ve Akım Ağları. Y.Doç.Dr. Saadet A. Berilgen

MMU 420 FINAL PROJESİ

KAYMALI YATAKLAR II: Radyal Kaymalı Yataklar

Çizelge 5.1. Çeşitli yapı elemanları için uygun çökme değerleri (TS 802)

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

KONU: Beton Baraj Tasarım İlkeleri, Örnek Çalışmalar SUNUM YAPAN: Altuğ Akman, ESPROJE Müh.Müş.Ltd.Şti

Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR

KIZILIRMAK NEHRİ TAŞKIN RİSK HARİTALARI VE ÇORUM-OBRUK BARAJI MANSABI KIZILIRMAK YATAK TANZİMİ

İlk çamur arıtım ünitesidir ve diğer ünitelerin hacminin azalmasını sağlar. Bazı uygulamalarda çürütme işleminden sonra da yoğunlaştırıcı

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

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ AKIŞKANLAR MEKANİĞİ II FİNAL SINAVI Numara: Adı Soyadı: SORULAR-CEVAPLAR

5/8/2018. Windsor Probe Penetrasyon Deneyi:

REZA SHIRZAD REZAEI 1

ÜÇGEN VEYA TRAPEZ KESİTLİ AÇIK KANAL AKIMINDA ALTERNATİF DERİNLİĞİN BULUNMASI

Transkript:

Ilısu Barajı ve HES Projesi Dolusavak Havalandırıcısının Performans Değerlendirmesi M. Cihan AYDIN, Cesur KAPLAN Bitlis Eren Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fak. İnşaat Mühendisliği Bölümü mcaydin@gmail.com Öz Ilısu barajı, kurulu gücü 1200 MW ve karşıdan alışlı 6 adet radyal kapaklı geniş bir dolusavağı olan büyük bir HES projesidir. Dolusavak genişliği 120 m ve kapak boyutları genişlikleri 15.0x16.0 m dir. Boşaltım kapasitesi 14799 m 3 /s tür. Türkiye de kavitasyon riskine karşı silika dumanlı mineral katkılı beton ilk defa bu barajın dolusavağında kullanılmıştır. Ayrıca yine kavitasyon hasarından korunmak için dolusavak havalandırıcıları da yerleştirilmiştir. Bu bildiride, Ilısu Barajı dolusavak havalandırıcıların revize tasarımının performansı ve akım karakteristikleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD=CFD) yöntemi ile belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla Ilısu Barajı dolusavağının 3B sayısal modeli hazırlanmış ve ANYSYS-Fluent programı kullanılarak kavitasyon riski oluşturabilecek debi değeri için sayısal analizi yapılmıştır. Anahtar sözcükler: HAD, Dolusavak, Fluent, Solidworks, Nümerik analiz, Kavitasyon. Giriş Baraj dolusavaklarında, çok yüksek su hızları ve dolusavak şut kanalların üzerindeki düzensizliklerin oluşturduğu kavitasyon nedeniyle beton yüzeyinde geniş çaplı hasarlar meydana gelebilmektedir. Bu hasarlar zaman içinde dolusavağı kullanılmaz hale getirebilmektedir. Kavitasyon ile ilgili ilk ciddi çaba 1935 te Madden Barajı (Panama) üzerindeki hasarın rapor edilmesiyle başlanmıştır (Kells ve Smith, 1991). Genel manada, kavitasyon hasarlarının akım hızının 12-15 m/s değerleri arasında başlayabileceği, 30-40 m/s gibi daha büyük akım hızlarında ise dolusavak yüzeyini kavitasyon hasarından korumak için havalandırıcıların kullanılması gerektiği belirtilmektedir. Dolusavak şut kanallarındaki havalandırıcı özellikleri ile ilgili birçok çalışma yapmıştır. Pfister ve Hager (2010), 20-30 m/s den fazla akım hızlarında dolusavaklardaki kavitasyon hasarını incelemişlerdir. Chanson (1989) farklı dayanımlardaki beton yüzeylerde yürüttüğü deneylerle, kavitasyon başlangıcı ile ilgili detaylar sunmuştur. Russel ve Sheehan (1974), kavitasyon hasarını önlemek için gerekli hava konsantrasyonunu belirlemeye çalışmışlardır. Pinto vd. (1982) boyutsuz hava giriş oranı ile ilgili ilk yaklaşımı sunmuştur. Wood vd. (1983) dolusavak yüzeyinde gelişen sınır tabakası ve serbest yüzey havalandırması üzerinde çalışmalar yapmıştır. Kökpınar ve Gögüş (2002) havalandırıcılar için genel amaçlı ampirik bir bağıntı elde etmiş ve ayrıca fiziksel model verileriyle ile bazı prototip verilerini karşılaştırmak suretiyle deney ölçek etkilerini giderecek bazı bağıntılar elde etmişlerdir. 4. Su Yapıları Sempozyumu 381

Nie (2001) yapay olarak pürüzlendirilmiş yüzeylerle kavitasyon hasarını önleme konusunda çalışmıştır. Kavitasyon hasarının belirgin şekilde gözlendiği Keban Barajı dolusavağında şut kanalı üzerindeki inşaat derzlerinin mansaplarında ve sıçratma eşiği profilinin mansabında hasarlar olmuştur (Abbasoğlu ve Okay, 1992). Rutschmann ve Hager (1990) çalışmalarında, akım parametreleri ve havalandırıcı geometrisi gibi tüm parametrelerin direkt olarak hava girişi üzerindeki etkilerinin dikkate alındığı Direkt Yaklaşım ve hava girişinin dolaylı olarak, jet uzunluğuna bağlı incelendiği Dolaylı Yaklaşım olmak üzere iki yaklaşım sunmuştur. Aydın (2006) alttan alışlı havalandırıcıların performansını üç boyutlu sayısal modellerle belirlemeye çalışmış ve uğraştırıcı matematik modeller kurmak yerine, CFD=HAD yazılımlarının kullanılmasının çok daha uygun olabileceğini belirtmiştir. Öztürk vd. (2005), Ilısu Barajındakine benzer fakat özellikle geniş dolusavaklar için daha etkin ve kullanışlı bir havalandırıcı modeli önermişlerdir. Ilısu Barajı dolusavağında Türkiye de ilk defa kavitasyonu önlemek için silica (silis) dumanlı mineral katkı maddesi şut kanalı üst döşeme betonlarında (çimentonun % 15 oranında ) kullanılmıştır. Şut kanalında alınan beton numunelerinde 28 günlük basınç mukavemetinin 50 Mpa a çıktığı durumlar oluşmuştur. Fakat bu durum şut kanalında çatlak oluşumunu arttırmıştır (Gündüz vd. 2013). Ayrıca dolusavak şut kanalında kavitasyon indeksi 0.25 den yüksek olmasına rağmen (teorikte 0.25 den büyükse havalandırıcı gerekmemektedir) 75 m arayla 5 adet havalandırıcı tasarımda kabul edilmiştir. Havalandırıcılar şut kanalı dış duvarlarından kanala bağlanmaktadır. Orta duvarlarda havalandırma bacası bulunmamaktadır. Ilısu Barajı dolusavağının ilk model deneyleri 1982 yılında yapılmıştır. İlk model deneyde 8 radyal kapak tasarlanmıştır. Ancak daha sonra yapılan tasarımda 6 radyal kapak uygun bulunmuş fakat tekrardan model deneyi yapılmamıştır. Bu bildiride Ilısu Barajı yeni tasarlanmış dolusavak havalandırıcısının, kavitasyon üretebilecek bir akım durumundaki havalandırıcı performansı sayısal analiz yöntemiyle belirlenmeye çalışılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Ilısu Barajı Karakteristikleri Ilısu Barajı ve HES Projesi elektrik amaçlı olup 1200 MW kurulu gücüyle Türkiye deki hidroelektrik üretiminde 4. büyük baraj olacaktır. Dolgu hacmi olarak Atatürk Barajından sonra Türkiye de 2. büyük barajdır. Önyüzü beton kaya dolgu (ÖBKD) baraj tipinde dolgu hacmi ve gövde kret uzunluğu bakımından dünyada 1.sıradadır. Ilısu Barajının tamamlanması ile yıllık 400 milyon dolarlık kazanç sağlanması beklenmektedir. Baraj Ana Gövdesi Gövde Tipi Gövde Hacmi : 23 762 850 m 3 Rezervuar Hacmi : 10 410 hm 3 Kret Kotu : 530.00 m Aktif Hacmi : 7 660 hm 3 Kret Uzunluğu : 2 327 m Talveg Kotu : 400.00 Max. Su Kotu : 526.82 Gövde yüksekliği (Talvegden) : 130.00 m Normal işlet. su kotu :525.0 m Kret uzunluğu :2375 m : Ön Yüzü Beton Kaplı Kaya Dolgu 382 4. Su Yapıları Sempozyumu

Temelden Yüksekliği :131 m Santral Santral Binası Boyutları : 180 m x 47 m x 56 m Ünite Debisi : 198,4 m 3 /s Ünite Kapasitesi : 200 MW Ünite Sayısı : 6 Adet Toplam Kurulu Güç : 1200 MW Yıllık Ort. Enerji Üretimi : 4,120 GWh Dolusavak: Tipi : Karşıdan Alışlı, Kontrollü Genişliği : 120 m Uzunluğu : 495 m Kapak Sayısı ve Tipi : 6 adet, Radyal Kapak Boyutları : 16 m x 15.88 m Deşarj Kapasitesi : 14 799 m³/s Şut Uzunluğu : 432.7 m Düşü Havuzu Boyutu : 70 m x 124 m Dolusavak yapısı eşik yapısı, şut kanalı, sıçratma eşiği-apron, düşü havuzu ve boşaltım kanalı olmak üzere 5 kısımdan oluşmaktadır. Yöntem Hesaplamalı Akışkan Dinamiği (HAD) akımın bünye denklemlerini bilgisayar yardımıyla çözen bir yöntemdir. Birden çok fazdan oluşan akımlarda akımların sayısal çözümlemesinde sonlu elemanlar, sonlu farklar ve sonlu hacimler gibi yöntemler kullanılır. Sayısal Modelleme temelleri, Taylor un bir nokta etrafında fonksiyon için yaptığı seri açılımına dayanır. Sonsuza giden seri açılımında fonksiyonun değerini hesaplamak için kullanılacak terim sayısı, elde dilecek sayısal çözüm denkleminin hassasiyet derecesini gösterir. Sayısal akışkanlar dinamiği çözümlemesinde kullanılan süreklilik denklemi ve doğrusal olmayan yüksek dereceden Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) diferansiyel denklemleri Taylor seri açılımı ile sayısallaştırılır. Sayısallaştırılan süreklilik denklemi ve RANS denklemi, akım geometrisini kapsayan ağda bulunan hücrelerin her biri için çözülür. Ardışık olan tekrarlanan çözüm, akım alanındaki kütle ve kuvvetler denkliğini sağlar. Genel olarak bir akımı çözmek için süreklilik denklemi, momentum denklemi ve yardımcı denklemlerin aynı anda çözümü gerekmektedir. 2-boyutlu bir akım için denklem sistemi indirgenerek çözülebilir. Ancak akım 3-boyutlu ve türbülans olduğu durumlarda denklem sistemini kapatan bir türbülans modeli sisteme eklenir. Ayrıca eğer akım açık kanal akımı şeklindeyse, su yüzeyinin yerini belirlemek için sisteme yüzey belirleme denklemi katmak gerekecektir. Eğer akım içinde dağılan bir başka madde varsa konsantrasyon denklemleri ile çözülür. Tüm bunlar göz önüne alındığında sayısal olarak modellenmek istenen akımın şartlarına göre yeni çözüm denklem sistemi ortaya koyup bu denklemlerin her biri ayrı ayrı sayısallaştırıp çözülerek sonuca ulaşılabilir. (Dündar, 2009) Hava-su gibi iki fazlı akımları modellemek için Ansys-Fluent yazılımının çok fazlı akım modellerinden faydalanılmıştır. Ansys-Fluent te çok fazlı akımlar genelde, birincil faz sürekli ortam akışkanı, diğeri ise bu akışkan içine dağılmış olan ikincil faz olarak tanımlanır. Atmosfere serbest yüzeyli akımlar için bu durum, sürekli ortam akışkanı hava, ikincil faz ise su olarak alınabilir. Çok fazlı akımlarda sonlu eleman ağlarıyla 4. Su Yapıları Sempozyumu 383

bölünmüş her bir hücre iki akışkanın belirli hacim oranlarıyla işgal edilir. q akışkanın hacim oranı için üç durum söz konusudur. α q =0 ise k akışkanın hücresi boş, α q =1 ise k akışkanı hücreyi tamamen doldurmuş, 0< α q <1 ise hücre iki akışkanın ara yüzeyini içerir. Bu bildiride ASYS-Fluent yazılımı yardımıyla Akışkan Hacimleri Oranı (Volume of Fluid, VOF) metodu kullanılarak dolu savak ve havalandırıcı akımı modellenmiştir. Bu yöntem daha önce birçok çalışmada kullanılmıştır. VOF metodu her bir faz için aşağıdaki momentum denklemini çözer. Ps u u i j ( u j ) ( uiu j ) ( ) g j F (1) j t xi xj xi xj xi Bu denklemde; ρ: akışkan yoğunluğu, u: hız vektörü, μ: dinamik viskozite, P s : basınç, F: kütle kuvvetleri; m qp ve m pq : sırasıyla q den p ye ve p den q ye faz geçişi, α q : q fazının bir hücredeki hacim oranı (0 α q 1) dır, terimi varsayılan olarak sıfır alınır. (ANSYS-FLUENT, 2012). Yüksek hızlı dolusavak akımlarında türbülans etkisi dikkate alınmak zorundadır. Seçilecek türbülans modelin çözüm üzerine önemli etkisi vardır. Daha önce yapılan araştırmalar HAD çözümlemelerinde k-ε ve Reynolds Gerilmeleri Modeli (RSM) uygun sonuç verdiği fakat RSM nin çözdüğü 7 denklem nedeniyle çok fazla işlem zamanı ve zorluğu nedeniyle birçok problemin çözümünde k-ε modelin tercih edildiği belirtilmektedir. Bu nedenle bu çalışmada da standart k-ε türbülans model kullanılmıştır. Sayısal analiz için toplam 120 m genişliğinde ve üç gözden oluşan Ilısu Barajı dolusavağının bir havalandırıcısını içeren 75 m lik uzunluğundaki kısmı üç boyutlu olarak modellenmiştir. Hazırlanan üç boyutlu sayısal model Workbench programıyla 1.781.717 karma ağ elemana bölünmüştür. Çözümlerin yakınsaması ve doğruluğu için hava giriş olayının cereyan ettiği hava giriş kanalları ve bunların yüzeylerine yakın bölgelerde daha sık ağ seçilmiştir. Ağ kalitesi olarak minimum ortogonal kalite %5, maksimum şekil oranı ise (Max. Aspect Ratio) 55.7 olarak verilmiştir. Sayısal modelin 3B görüntüsü Şekil 1 de, çözüm ağının bir görüntüsü Şekil 2 de verilmiştir. S q Şekil 1 Ilısu Barajı dolusavağının sayısal modelinin 3B görünüşü. 384 4. Su Yapıları Sempozyumu

Şekil 2 Havalandırıcı ve dolusavak sayısal modelinin çözüm ağının görünüşü. Sonuçlar ve Tartışma Örnek bir çözüm olarak dolusavaktan geçecek 4320 m 3 /s lik debi dikkate alınarak, ortalama hız v=18 m/s, su derinliği h=2m dolayısıyla Froude sayısı Fr=4.06 için sayısal analiz yapılmıştır. Çözümlerin yakınsaması için yeterince uzun zamana bağlı çözüm yapılmış ve hata kalıntı terimleri 10-3 ün altına düşünceye kadar yakınsamalar kontrol edilmiştir. Giriş kısmında da belirtildiği gibi akım hızlarının 12-15 m/s de kavitasyon olayının başlayabileceği dikkate alındığında verilen 18 m/s lik bir akım hızı için kavitasyon riski olacaktır. Havalandırıcı performansları genelde hava debisinin su debisine oranı olarak ifade edilen hava giriş oranı (β) ve buna bağlı elde edilebilen ortalama hava konsantrasyonu (C o ) ile belirlenir. Bu parametreler (2) ve (3) denklemlerinde sırasıyla verilmiştir. (2) C (3) o 1 Akımın Fr=4.06 değeri için su debisi 4320 m 3 /s, havalandırıcı tarafından sağlanan toplam hava debisi ise 209 m 3 /s olarak elde edilmiş ve buna göre hava giriş oranı yaklaşık β=0.05 ve buna bağlı olarak C o = % 4.8 olarak hesaplanmıştır. Russel ve Sheehan (1974) malzeme testleri üzerine yaptığı çalışmada kavitasyon hasarını önlemek için %5 hava girişi sağlamanın yeterli olacağını belirtmiş, fakat konuyla ilgili çalışmaların çoğunda kavitasyon hasarından korunmak için yaklaşık olarak % 6-8 arasında hava konsantrasyonu gerektiği belirtilmektedir (Aydın 2005). Buna göre elde edilen hava konsantrasyonu alt sınır değere yakın elde edilmektedir. Özellikle Ilısu Barajı gibi geniş dolu savaklarda giren havanın dolu savak genişliği boyunca dağılımı da önemlidir. Şekil 3 de görüldüğü gibi havalandırıcı tasarımı iki adet bacadan oluşmaktadır. Birinci, mansaptaki baca sıçratma rampası tarafından oluşan jet altı boşluk ve tabana yerleştirilen oluk tarafından oluşturulan boşluğu beslemektedir. İkincisi, yani membadaki baca ise taban altına yerleştirilen ve genişlik boyunca belli aralıklarda oluğu besleyen hava kanallarını beslemektedir. Bu ikinci hava tertibatı özellikle kenardan beslenemeyen orta kesimlerin beslenmesi için etkili bir yöntem olarak gözükmektedir. Bu havalandırma tertibatları sayesinde Şekil 3 de görüldüğü gibi hava tüm genişlik boyunca tabana yayılmaktadır. Ancak oluk arkalarına yerleştirilmiş hava kanallarından çıkan hızlı hava nedeniyle bu hava kanallarının karşılığındaki 4. Su Yapıları Sempozyumu 385

yerlerde daha fazla hava konsantrasyonu gözlenmiştir. Ancak bu durum sayısal çözümlerden de kaynaklanıyor olabilir. Şekil 3 Dolu savak tabanındaki hava-su faz dağılımları. Hava girişinin kaban genişliği boyunca dağılımını anlamak için jet altındaki bir çizgi boyunca basınç dağılımı Şekil 4. de elde edilmiştir. Şekilde havalandırıcı üzerinde sıçrayan sun jeti altındaki dolusavak genişliği boyunca statik basınç değişimi verilmiştir. Grafikte x=0 havalandırıcı baca girişini, x=60 m ise dolusavağın tam ortasını temsil etmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi hava girişine yakın bölgelerde statik basınç düşüşleri daha az ortalara doğru ise daha fazladır. Bu da ortalara doğru hava girişinin azaldığını ifade eder. Genişliğin x=40m den sonra dolusavağın ikinci (orta) gözü başlamaktadır. Buradan itibaren basınç farklarının azaldığı yani hava girişinin arttığı gözlemlenmiştir. Bunun sebebi orta gözdeki hava kanallarının daha geniş tasarlanmış olmasıdır ki bu iyi bir durumdur. Böylece dolusavağın ortalarına kadar yeterli hava girişi sağlanması amaçlanmıştır. Ancak yeni bir fikir olarak; eğer dolusavak boyunca kenarlardan ortaya doğru hava giriş kesitleri düzenli olarak arttırılmış olsaydı daha düzgün bir basınç dağılımı ve dolayısıyla daha üniform bir hava karışımı elde edilebilirdi. Şekil 4 Havalandırıcı jet altındaki savak genişliği boyunca rölatif statik basınç değişimi 386 4. Su Yapıları Sempozyumu

Şekil 5 de dolusavak tabanında oluşan statik basınç dağılımları görülmektedir. havalandırıcı rampasında su jetinin çarpması sonucu bu kısımda basınçlar aşırı artmakta, havalandırıcı mansabında hava oluğu içerisinde ise rölatif basınçlar sıfırın altına düşmektedir. Buradaki basınç seviyesinin düşmesi havalandırıcılardan doğal hava emilmesini ve akıma karışmasını sağlar. Hava oluğunun mansabındaki yüksek basınç bölgesi ise su jetinin tekrar dolusavak tabanıyla birleştiği bölgeyi yani çarpma bölgesini temsil eder. Şekil 6 da ise simetri kesiti olan orta duvarda statik basınç profili gözükmektedir. Rampanın hemen başındaki ve su jetinin çarpma noktasındaki yüksek basınç bölgeleri açık bir şekilde görünmektedir. Şekil 5 Dolu savak tabanındaki basınç kontürleri (Pa) (V= 18m/s, h= 2.0m, Fr=4.06). Şekil 6 Simetri kesitindeki statik basınçlar. Şekil 7 de havalandırıcı üzerinde ve dolusavak üzerinde oluşan serbest yüzeyli akımı durumu gösterilmektedir. Bu şekilde su jetinin havalandırıcı üzerinde yükseldiği ve daha sonra tabana birleşerek akımın hava karışımlı olarak dolusavak şut kanalı boyunca devam ettiği görülmektedir. Bu sonuçların gerçek akımla benzeşmesi simülasyonun fiziksel olarak gerçekleştiği anlamına da gelebilir. 4. Su Yapıları Sempozyumu 387

Şekil 7 Su yüzeyindeki hız kontörleri. Sonuç ve Öneriler 1. Dolu savak döşeme betonlarında ilk defa silika katkılı beton kullanılmıştır. Ancak silika katkılı betonun kullanılmasının yeterli olmadığı yapılan örnekte görülmüştür. Bazı önemli barajlarda dolu savak ve benzeri yapılarda silika dumanı kullanılarak aşınma, erozyon ve kavitasyon etkileri gibi hasarların oluşması büyük ölçüde önlenerek uzun ömürlü su yapıları inşa edilebilmektedir. Silika oranı çimento yüzdesinin % 15 kullanılması sonucu çatlaklar gözlenmiştir. Dolayısıyla silika oranı çimentonun %10 unu geçmemelidir. Dolusavak döşemelerinin tamamında pahalı bir malzeme olan silis katkısı kullanılmıştır. Fakat betonunun tamamında silis katkılı beton kullanmaktansa sadece üst yüzeydeki 20 cm gibi bir kalınlıkta kullanması yeterli ve daha ekonomik bir çözüm olurdu. 2. Ilısu Barajı dolu savağının ortalama akım hızı 18 m/s, su derinliği h=2 m ve Fr=4.06 için akım ve havalandırma durumu 3B sayısal modelle incelenmiştir. Çözüm metodu olarak hacim oranları (VOF) metodu ve k-ε türbülans model kullanılmıştır. 3. Sayısal analiz sonuçlarından akıma karışan hava konsantrasyonu %4.8 olarak elde edilmiştir. Bu değer literatürde kavitasyon hasarını önlemek için verilen gerekli minimum ortalama hava konsantrasyonunun biraz altındadır. 4. Oldukça geniş olarak tasarlanmış dolusavak şut kanalının orta bölgelerinin havalandırılması için düşünülmüş ek hava bacası ve kanallarının orta açıklığa hava sağlamada başarılı olduğu görülmüş ve tüm şut kanalı genişliği boyunca havanın dolusavak tabanına dağıtıldığı görülmüştür. 5. CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) modellemesiyle aynı ölçekle çalışıldığından ölçek etkileri beklenmeyecektir. Ayrıca ekonomiklik, zaman, esneklik, ve kolaylık açısından, HAD analizleri fiziksel model deneylerine göre göre daha avantajlıdır. Ancak yine de fiziksel modellerle birlikte kullanılması tavsiye edilmektedir. 6. Farklı Froude sayılarında sayısal analizlerin yapılıp çıkan çözümlerin sonuçları mümkünse deneysel ve hatta prototip sonuçlarla karşılaştırılmalıdır. Bazı deneysel veya prototip sonuçlarıyla kalibre edilmiş sayısal yöntemlerle deneylere göre daha fazla ve detaylı sonuçlar alınabilir. Ancak özellikle küçük ölçekli deneylerde önemli ölçek etkileri beklenmelidir. 7. Ülkemizde yeterli düzeyde havalandırıcılar konusunda araştırma yapılmadığı, bu konuda yeterli kriter geliştirilmediği ve yapılan tasarımların genelde bilimsel bir 388 4. Su Yapıları Sempozyumu

tabanının olmadan kaba yaklaşımlarla yapıldığı görülmektedir. Bu konuda yapılan deneysel çalışmaların zorlukları ve ölçek etkileri nedeniyle havalandırıcı tasarımlarında fiziksel modeller, diğer hidrolik problemler kadar etkili olamayabilir. Bu nedenle doğruluğu test edilmiş sayısal yöntemlerin havalandırıcı tasarımında kullanımı faydalı olabilmektedir. 1) Ilısu Barajının önceki tasarımında fiziksel model çalışması yapılmasına rağmen yeni tasarımının fiziksel model deneyleri yapılmamış ve uygunluğu tam olarak kontrol edilmemiştir. Ayrı bir çalışmada bu barajın havalandırıcılarının, mevcut sonuçlarla kalibre edilmiş sayısal model çalışmasıyla detaylı olarak incelenmesi düşünülmektedir. Kaynaklar Abbasoğlu, C. and Okay G. (1992) The remedial structures on the spillways of Keban dam, Water Power and Dam Construction, Dec., s22-27. Aydın, M.C. (2005) Alttan Alışlı Dolusavak Havalandırıcıların CFD Analizi. Doktora Tezi. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ. Chanson, H. (1989) Flow downstream of aerator spacing, Journal of Hydraulic Research, 27, No.4, 519-536. Dündar, O. (2009) Dolusavak akımlarının Modellemesinde Sayısal Hesaplama Yönteminin Güvenli Kullanımı, ANKARA Gündüz, İ., Caferoğlu Ö., Yenimol S., (2013) Silis Dumanlı Beton Uygulaması. 43. Devlet Su İşleri Yayınları, MARDİN Kells, J.A., Smith, C.D., (1991) Reduction of cavitation on spillways by induced air entrainment, Canadian Journal of Civil Engineering,18,No.3,358-377. Kökpınar, M.A. ve Göğüş M. (2002) High-speed jet flows over spillway aerators, Canadian Journal of Civil Engineering, Dec.29, No.6,885-898. Nie, M.X. (2001) Cavitation prevention with rouughened surface, Journal of Hydraulic Engineering, Dec.29, No.6, 885-898. Ozturk, M., Aydin M.C., Aydin S. (2005) Damage Limitation - A New Spillway Aerator, Water Power and Dam Construction, 60(5), 36-40, 2008. Pfister M., Hager W.H. (2010) Chutu Aerators I: Transport Characterictis, Journals of Hydraulıc Engineering. ASCE. 136:352-359. Pinto, N.L. De S., Neidert, S.H. and Ota JJ. (1982) Aeration at high velocity flows. Water Power and Dam Construction, 34, No.2, 34-38, 34, No.3, 42-44 Russel, S.O., Sheenan G.J. (1974) Effect of entrained air on caevitation damage, Canadian Journal of Civil engineering, Vol.1,97-107. Rutschmann P, Hager W.H. (1990) Air entrainment by spillway aerators, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 116, No.6, 765-782. Wood, I.R, Ackers P, Loveless J, (1983) General method for critical point on spillways, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE,109, No.2, 308-312 4. Su Yapıları Sempozyumu 389