Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. J. Fa. Eng. Arh. Gaz Unv. Clt 9, No, 8-9, Vol 9, No, 8-9, TABAKALI AKIŞKAN ORTAMINAKİ U ALMA AĞZINA AİT KRİTİK BATIKLIK Pınar KOCABAŞ *, Fkret KOCABAŞ ** ve Nhat EROĞLU *** * İnşaat Yüksek Mühends, Yozgat ** İnşaat Mühendslğ Bölümü, Yozgat Mühendslk Mmarlık Fakültes, Eryes Ünverstes, Yozgat fkoabas@eryes.edu.tr *** İnşaat Mühendslğ Bölümü, Mühendslk Mmarlık Fakültes, Gaz Ünverstes, Ankara, enhat@gaz.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, su alma ağzına hava grş ve tabakalı akışkan ortamında stenlen akışkanın çeklmesne (alınmasına) at krtk batıklık su-hava ve su-yağ-hava ortamlarında deneyler yapılarak nelenmş ve Krtk Küresel Kuyu Yüzey (KKKY) teors le kontrol edlmştr. Tabakalı akışkan ortamında, üst tabakada yer alan akışkanın (serbest çevrnt çöküntüsünü doldurarak) su alma ağzına henüz grş yaptığı andak su alma ağzı le üst tabaka akışkanının alt sınırı (ara yüzey) arasındak düşey mesafe krtk batıklık olarak adlandırılır. Askıdak sedment veya sıaklık farkı sebebyle su haznelernde oluşan tabakalı akışkan ortamına sıka rastlanılır. Bu durumda tabakalı akışkan ortamından stenlen suyun alınması veya nükleer ve termk güç stasyonlarına soğuk suyun alınablmes çevre veya hdrolk mühendslğ problem olarak karşımıza çıkar. eneysel çalışmalar göstermştr k; su-yağ-hava ortamındak krtk batıklık değernn su-hava ortamındak krtk batıklık değernden daha büyüktür. Tabakalı ortamı oluşturan akışkanların yoğunluk farkı, krtk batıklık üzernde etkldr ve KKKY kavramı tabakalı akışkan ortamında da kullanılablr. Anahtar Kelmeler: Tabakalı akışkan, batıklık, su alma ağzı. CRITICAL UBMERGENCE FOR AN INTAKA IN A TWO-LAYER TRATIFIE FLUI MEIA ABTRACT In a natural reservor, the vertal densty gradent may our due to varatons n temperature, dssolved salt, and suspended sedment ontents. Ths type of flud body s alled, stratfed meda. In a two-layer stratfed flud meda, when the upper flud just enters the ntake (by fllng the vortex-depresson n the lower layer), the vertal dstane between the nterfae of the fluds and ntake s alled the rtal submergene. In ths study, the rtal submergene for both ar entranng vortex and seletve wthdrawal n a two-layer flud are expermentally studed. The expermental results ndated that the rtal submergene for an ntake n a stratfed flud meda s greater than that for the ntake n a sngle homogeneous flud of same knd. The densty dfferene of the fluds formng the stratfed flud meda s effetve on the rtal submergene of the ntake. Keywords: Two-layer flud, submergene, ntake.. Özgül yoğunlukları ve olan akışkanlardan, yoğunluğu büyük olanın altta, dğernn üstte yer almasına tabakalaşma denr. oğal haznelerde sıaklıktak değşm, ermş tuz bleşenler ve askıdak sedmentler dolayısıyla düşey yoğunluk gradyanı ya da başka br değşle tabakalaşma oluşur. Ara yüzeyn su alma ağzının üst sınırına olan düşey mesafes su alma ağzına at batıklık olarak blnr. u alma ağzı le alınan deb çn batıklık krtk br değern altına düştüğünde üsttek haff akışkanın alt tabakada oluşan serbest çevrnt çöküntüsünü doldurarak su alma ağzına tam grmeye başladığı andak batıklık değerne krtk batıklık adı verlr. Tabakalı br su gövdesnden stenlen akışkanın
P. Koabaş vd. Tabakalı Akışkan Ortamındak Ağzına At Krtk Batıklık alınması le lgl olarak çok sayıda deneysel ve teork çalışma vardır [-7]. Bunlardan Lubn ve prnger [], slndr br tankın taban merkezne br su alma borusu yerleştrerek tabakalı akışkan ortamından stenlen akışkanın alınışını çalıştı. Çalışmalarında permenan koşulları sağlayamadan sevyenn düşmesyle üst tabakada yer alan akışkanın su alma ağız borusuna grş dernlğn araştırdı. harp ve Parhure [-], tabana ve tabandan yukarıya yerleştrdkler su alma boruları le tatlı su- tuzlu su kullanarak yaptıkları deneysel çalışma sonuunda, üstte yer alan tatlı suyun % grşnn olduğu batıklığı ve su alma borusu üzerne yerleştrlen dskn batıklık üzerne etksn araştırdı. Harleman vd. [], tabakalı ortamda tabanda yer alan düşey su alma ağzı kullanmış, analtk ve deneysel çalışmaları sonuu, < <, çn üst tabakada yer alan akışkanın su alma ağzına grş çn fade elde etmşlerdr (Burada, : Krtk Batıklık, : u alma ağzının ç çapıdır). avdan ve Glover [6], tabakalı ortamda düşey aşağı su alma ağzı kullanarak alt tabakada yer alan akışkanı çekeblmek çn deneyler yapmış ve, < < çn fade elde etmşlerdr. eneysel çalışmalar sonuunda elde edlen fadeler se şu şekldedr [7]: V b b = C.( ) = C. Fr () / g Burada, V : u alma ağzındak ortalama hız, C=sabt, / g = g.( ) : azaltılmış yerçekm vmes, g :yerçekm vmes, F r : su alma ağzına at yoğunluk farkı esaslı (densmetrk) Froude sayısı = V g.. ve b: br sabttr (.). Bu çalışmada su ve özgül gravtes (Ö.G.),9 olan akışkan yağ kullanılarak tabakalı akışkan ortamı oluşturulmuş, su-hava ve su-yağ-hava durumlarına at deneyler yapılarak karşılaştırılmıştır. kullanılabldğ gösterlmştr.. ENEY ÜZENEĞİ VE ENEYLERİN YAPILIŞI eney düzeneğ Şekl dek gbdr. eneylerde su ve akışkan yağ (ayççek yağı) kullanılarak tabakalı ortam oluşturuldu. u alma ağzının tabandan olan düşey mesafes, değştrlerek geçrmsz akım sınırlarının engel etksn görmek amaıyla / =,,, çn hem su-hava hem de su-yağ-hava ortamlarında deneyler yapıldı. m kare kestl ve yükseklğ, m olan tankta su alma ağzı olarak ç çapı =6.9 m olan demr boru kullanıldı. Pompa le devr-dam sağlanırken boru hattı üzerne yerleştrlen br drsekmetre le çeklen deb ölçüldü. Tankın merkezne br uu tank tabanında lerleyerek dışarı çıkan düşey su borusu kaynaklandı. Tankın ç tabanında. m çapında ve. m yükseklğnde slndrk beton döşeme yapıldı. Tankın merkeznde yer alan su alma borusunun tank tabanında lerleyen kısmı beton döşemenn çersnde kalarak tank dışındak pompaya bağlanmaktadır. Pompadan gelen suyun tank çersnde düzgün dağılımını sağlamak çn tankın taban ç çevres boyuna yerleştrlen delkl br plastk boru bağlandı ve üzerne çakıl dolduruldu (Şekl ). Tank çersndek su sevyesn ayarlamak çn tank tabanına br drenaj vanası yerleştrld. eneyler, krtk batıklıkları karşılaştırmak amaıyla su-hava ve su-yağ-hava ortamlarında ayrı ayrı yapıldı. u-hava ortamında ve su-yağ-hava ortamında deneye başlamadan evvel hang / çn deney yapılaak se ona uygun olan su alma ağzı tankın merkezne yerleştrld. Tank, krtk dernlğn çok üzernde br A PLAN Gözetleme Peneres Çakıl u alma borusu A-A KEİT GÖRÜNÜŞÜ Pompadan Pompaya A elkl Plastk boru renaj vanası Krtk batıklığa at elde edlen verlern değerlendrlmesnde; merkez ve debs su alma ağzınınk le aynı olan, yarıçapı da krtk batıklığa eşt olan Krtk Küresel Kuyu Yüzey (KKKY) kavramından faydalanılmıştır [8,9]. Bu çalışma netesnde KKKY nn kuyu akımının olduğu her ortamda (tabakalı veya tabakasız) Yağ drenaj vanası Çakıl elkl Plastk boru Betonarme slndr döşeme Yağ u u alma borusu Şekl. eney düzeneğ Pompadan Pompaya 86 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. Clt 9, No,
Tabakalı Akışkan Ortamındak Ağzına At Krtk Batıklık P. Koabaş vd. dernlğe ulaşınaya kadar yeterl dernlkte su le dolduruldu. Akışkan yağ le deney yapılıyor se su yüzey üzerne ltre akışkan yağ yavaş ve küçük mktarlarda dökülerek yüzeyde m kalınlığında yağ tabakasının oluşması sağlandı. Pompa çalıştırılarak stenlen debnn su alma ağzından geçmes sağlandı. Akımın permenan hale geldğ gözlendkten sonra tank tabanındak drenaj vanası çok az mktarda açılarak su sevyesnn çok yavaş düşmes sağlandı. u yüzeynde havalı çevrnt çukurunun oluşup alt uunun su alma ağzına ulaştığı anda tank çersndek su sevyes ölçüldü. Yukarıdak şlemler farklı debler çn de tekrarlandı. eneyler / =,, ve çn ayrı ayrı yapıldı. eneyler sırasında su sevyes azaldıkça yüzeyde çevrntnn oluştuğu ve su yüzeyndek çöküntünün uzayarak ağza kadar ulaştığı görüldü (Şekl ).. ENEY VERİLERİNİN ANALİZİ Yıldırım ve Koabaş [8], kanal akımında br su alma ağzının bulunması hal çn su alma ağzına doğru olan akımı, noktasal (küresel) kuyu, yaklaşan kanal akımınıda ünform akım kabul ederek akım alanına br noktasal kuyu le br ünform akımın brleşm olarak kabul edp krtk batıklığın potansyel akım çözümüyle tahmn edlebleeğn göstermştr (Şekl). KKKY (Krtk Küresel Kuyu Yüzey), su alma ağzı le aynı merkeze ve debye sahptr. Verlen akım ve geometr şartları çn KKKY dek hız da sabttr [8]. Yıldırım vd. [], ağza akım sağlamayan geçrmsz akım sınırları (geçrmsz katı sınırlar) nedenyle KKKY nn yüzey alanındak toplam kayıp alanını engel etks olarak fade etmş ve engel etksnn krtk batıklık üzernde etkl olduğunu göstermşlerdr (Şekl ). Bu çalışmadak bütün deneylerde su alma ağzının tankın yan duvarlarına olan mesafes krtk batıklıktan büyük olduğundan sadee kanal tabanının ve su alma borusunun engel etkler vardır. u alma ağız borusunun engel etks, su alma ağız borusunun dış sınırları çnde kalan ve ağza su sağlamayan KKKY ye at küresel kapağın yüzey alanı kısmıdır. u alma ağzı le aynı merkeze ve debye sahp olan KKKY dek hızın da sabt olması kabulünden [8], ürekllk kanunu gereğ; Q = A. V () Ünform akım s Vs r e Küresel kuyu (noktasal kuyu) u alma V ağız borusu Q Şekl. Ünform akım ve noktasal kuyunun brleşm h z u u u V V V ıvı I ıvı II ıvı II ıvı I ıvı II ıvı I V V V Şekl. u-hava ortamı ve su-yağ-hava ortamı çn deney sırasında gözlemler İ V İ KKKY İ V İ KKKY KKKY Vİ (a) < (b) > () = Borunun engel etks / İ= ken / İ= ken tabanın engel etks tabanın engel etks Şekl. Küresel kuyu yüzey üzernde geçrmsz br katı sınırın engel etkler İ Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. Clt 9, No, 87
P. Koabaş vd. Tabakalı Akışkan Ortamındak Ağzına At Krtk Batıklık yazılablr. Burada Q : su alma ağız debs, A : KKKY nn çalışan net toplam yüzey alanı ve V s : noktasal kuyu çn (KKKY dek) radyal hızdır. Yıldırım ve Koabaş [8], durgun su gövdes çersnde bulunan br su alma ağzı çn sadee kanal tabanının engel etks olması durumunda krtk batıklığın aşağıdak gb olduğunu teork olarak göstermşlerdr. ( / ) + ( / ) + ( V / V s ) = () Burada : krtk batıklık, : su alma borusu ç çapı, : su alma borusunun tabandan yükseklğ ve V : su alma ağzındak hızdır Yıldırım vd. [], sadee su alma borusunun engel etks olması durumunda da, / ( V / Vs ) =,. () Vs V olduğunu gerek teork olarak gerekse deneylerle spatlamışlardır. Burada V s : noktasal kuyu (küresel kuyu akımı) çn radyal hız, : su alma ağız borusu dış çapıdır. Verlen bu denklemlerde krtk batıklığın tesbt çn V s değerne htyaç vardır. V s verlen akım ve geometr çn yapılan brkaç deneyden faydalanarak hesaplanablen sabt br değerdr. KKKY kavramından faydalanılarak deney netelerne göre Q nun A le değşm deneyle (hem su-hava, hem de su-yağ-hava durumları çn) Şekl de gösterlmştr. İfade () den görüldüğü üzere Q - A grafğnn eğm V s y verr. Şekl den her / çn br V s bulunmuştur. Elde edlen V s değerlernn () ve () no.lu denklemlerde kullanılmasıyla da / V değşmler hem su-hava, hem de su-yağ-hava durumları çn Şekl 6 da gösterlmştr. Şekl 6 da aynı ortamlar çn (sadee su-hava ya da sadee su-yağ-hava) hız-batıklık değşmler sadee / ye göre gözleneblrken, k farklı tabakada aynı / çn değşm gözlemek amaıyla Şekl 7 hazırlanmıştır. Önek çalışmalardan faydalanılarak su alma borusuna at Froude sayısının sabt alınması durumunda / nn alt ve üst tabaka arasındak yoğunluk farkına =( - ) ve dolayısıyle ( / ) bağlı olarak değşm çzlerek Şekl 8 elde edld [7] ( ve - sırasıyla üst ve alt tabakada yeralan sıvının yoğunluğudur). Şekl 8 de görüldüğü üzere / değer azaldıkça krtk batıklık artmaktadır. u - hava u - yağ - hava 8 8 (l/s) Q 6. HAVA İ (l/s) Q YAĞ İ / = / = / = / = HAVA / = YAĞ / = İ İ / = / =...6....6.8 A (m ) A (m ) Şekl. u-hava ve su-yağ-hava çn küre yüzey alanı ve deb değşm 6 u - hava u - yağ - hava / HAVA İ HAVA İ / = / = / = / = / YAĞ İ YAĞ İ / = / = / = / = Şekl 6. u-hava ve su-yağ-hava çn su alma ağzındak hız ve batıklık değşm 88 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. Clt 9, No,
Tabakalı Akışkan Ortamındak Ağzına At Krtk Batıklık P. Koabaş vd. / / / = u-hava / = u-yağ-hava / = u-hava / = u-yağ-hava / / = / = u-hava u-yağ-hava Şekl 7. Hız-batıklık değşmnn su-hava ve su yağ-hava ortamlarında gösterm / / = / = u-hava u-yağ-hava /........... Fr= Harleman vd. (ak-soguk su, 99) Lubn vd. (u-yag, 966) Harleman vd. (Craya vd. 99) harp vd. (Tatl-tuzlu su, 99) avdan vd. (96) Fr=...6.8....6.8. Şekl kullanılarak elde edlen V s değerlernn kullanılmasıyla çzlen Şekl 6 da su-hava ve su-yağhava ortamları çn tabanın engel etks arttığında krtk batıklığın arrtığı görülmektedr. Benzer şeklde V s değerlernn kullanılmasıyla elde edlen Şekl 7 den de görüldüğü üzere tabakalı ortamı oluşturan su-yağ-hava ortamı çn üst tabakada yer alan yağın su alma ağzına greblmes çn gerekl krtk batıklık değer, su-hava ortamında hava grşne at krtk batıklık değernden daha büyüktür. Bu nete önek çalışmalardan elde edlen Şekl 8 le uyum çersndedr. Şekl 7 den aynı su alma hızı çn gerekl krtk batıklık değernn dolayısıyla gerekl küre yüzey alanının su-yağ-hava ortamında, su-hava ortamından daha büyük olmasını gerektrdğ görülür. ürekllk denklem gereğ ( no.lu denklem) KKKY yüzey alanının büyümesyle V s nn azalması gerektğ anlaşılmaktadır....... Fr=.. Şekl 8. Froude sayısına bağlı olarak yoğunluk farkı-krtk batıklık değşm.6.8. Herhang br / çn su-yağ-hava deneylerne at V s değer, su-hava deneylerne at V s değernden daha küçüktür. Bunun sebeb üst tabakada yer alan yağ dolayısıyla ara yüzeyde atmosfer basınından daha büyük br basının olması ve k akışkan tabakasının arakestnde oluşan sürtünme ve yüzeysel gerlmelerdr. Üst tabakanın sebep olduğu basınç sebebyle KKKY nn en üst noktasında basınç düşmes çok daha az olur. Arakestte oluşan vskozte (sürtünme) gerlmeler nedenyle alt tabakanın en üst kısımlarındak hızlar azalır. Bu nedenle KKKY nn Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. Clt 9, No, 89
P. Koabaş vd. Tabakalı Akışkan Ortamındak Ağzına At Krtk Batıklık üst kısımlarındak hız azalır ve dolayısıyla çevrnt çukurunun ağza doğru lerleyş güçleşr.. ONUÇLAR Bu çalışmada durgun su gövdesnde bulunan su alma ağzına hava grş ve tabakalı ortamda stenlen akışkanın çekm le lgl olarak krtk batıklığın değşm nelenmş olup aşağıdak bulgular elde edlmştr.. Tabakalı akışkan ortamında üst tabakada yer alan akışkanın su alma ağzına grş le lgl krtk batıklığın hesabı çn de KKKY kavramı kullanılablr. Bunun çn V s n bulunması yeterldr.. Tabakalı ortam durumunda da verlen akım şartları ve geometr çn KKKY dek hız (V s ) sabttr ve / arttıkça V s artar.. u-yağ-hava ortamı çn KKKY dek hız, su-hava ortamındak radyal hızla karşılaştırıldığında (akışkanların ara yüzeyndek sürtünmenn fazla olması nedenyle) daha küçüktür. İşte bu nedenle tabakalı ortamdak krtk batıklık değer hava grşndek krtk batıklıktan daha büyük olmaktadır. KAYNAKLAR. Lubn, B.T., prnger, G.., The Formaton of a p on the urfae of a Lqud ranng from a Tank, Journal of Flud Mehans, 8-9, 966.. harp, J.J.,Parhure T.M., Crtal ubmergene n two-layer tratfed Flow, ACE Journal of Hydraul Engneerng, 9-98, 99.. harp, J.J.,Parhure T.M., eletve Wthdrawal Usng Crular, Partly ubmerged Intake trutures, ACE Journal of Hydraul Engneerng, 6-67, 99.. harp, J.J.,Parhure, T.M.,Guo, Z.R., eletve Wthdrawal Through an Intake Ftted wth a Collar, ACE Journal of Hydraul Engneerng, 68-686, 996.. Harleman,.R.F., Morgan, R.L., Purple, R.A., eletve Wthdrawal from a Vertally tratfed Flud, 8. Congress of the Internatonal Assoaton for Hydrauls Researh, -, 99. 6. avdan, J., Glover, J.E., evelopment of the Non-Crulatory Waterspout Part one of even Exploratory tudes n Hydrauls, ACE Journal of Hydrauls vson, Vol. 8, No.HY, Pro. Paper 8, 96. 7. Koabaş, P., Tabakalı ıvı Ortamında İstenlen ıvının Çeklmes İçn Gerekl Batıklığın Tesbt, Yüksek Lsans Tez, G.Ü.F.B.E.,. 8. Yıldırım, N., Koabaş, F., Crtal ubmergene for Intakes n Open Channel Flow, ACE Journal of Hydraul Engneerng, 9-9, 99. 9. Yıldırım, N., Koabaş, F., Crtal ubmergene for Intakes n tll-water Reservor, ACE Journal of Hydraul Engneerng, -, 998.. Yıldırım, N., Koabaş, F., Gülan,.C., Flow Boundary Effets on Crtal ubmergene of Intake Ppe, ACE Journal of Hydraul Engneerng, 88-97,. 9 Gaz Ünv. Müh. Mm. Fak. er. Clt 9, No,