AÇIK KANAL AKIMINDA PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDE TÜRBÜLANS BÜYÜKLÜKLERİ I. Albayrak (1), S. Cokgor (2), (1) İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Müh. Bölümü, Hidrolik Ana Bilim Dalı, 34850, Avcılar, İstanbul (1) (2 İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Müh. Fakültesi, Hidrolik Bölümü, 34469,Maslak, İstanbul, Email: cokgor@itu.edu.tr, Tel:+90 212 285 37 35, Fax +90 212 285 37 10 GİRİŞ Pürüzlü ve cilalı cidar akımında sediment hareketi yatak üzerindeki türbülans akımının yapısı ve dinamiğine bağlıdır. Aşınabilir yüzeyli akımda ve askı maddesinin olduğu akımda, taban malzemesinin emilmesi ve askı maddesinin hareketine devamı, pürüzlü yüzeyin üzerinde ve yakınındaki türbülans hareketleri ile yakından ilgilidir. Köprü ayakları etrafında ve borular üzerinde taban malzemesinin emilmesine karşı yapılan koruma tabakası (armoring layer) gibi gözenekli pürüzlü yatak durumunda, taban üzerindeki türbülanslı akım hareketinin doğrudan, ana türbülans akımı, taban malzemesi ve gözenekli yatak üzerindeki akım arasında kütle transferini etkilemesi beklenir. Örneğin, orijinal taban üzerindeki koruma tabakasından dolayı akım yatağındaki pürüzlülük deki bir değişim, akım türbülansı tarafından koruma tabakası altından ince sedimentlerin çalkalanmaya başlamasına neden olacaktır. Akım türbülansı belli bir kritik değeri aştığında, tanecikler koruma blokları arasından emilecektir. Bu durum koruma bloklarının batmasına neden olacaktır. Bu çalışmada, pürüzlü yatakta kütle ve momentum değişimi göz önüne alınacaktır. Bu çalışmada, üniform olmayan çapa sahip taşlar üzerindeki ölçümler rapor edilmiştir. Akım yönündeki ve akım yönüne dik yöndeki türbülans düzensizliklerini araştırmak için, taşlar üzerinde belirlenen 64 farklı noktadan oluşturulmuş ölçüm matrisi oluşturulmuştur ve bu noktalarda ölçümler yapılmıştır. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Açık kanal akımında göreceli rasgele pürüzlülük üzerinde türbülans büyüklüklerinin araştırılması İ.T.Ü Hidrolik Laboratuarı ndaki laboratuar kanalında yapılan deneyler ile incelenmiştir. Kırma taş gibi 3D üniform olmayan pürüzlü geometriye sahip yüzey üzerindeki yapılan detaylı deneysel araştırmalar, pürüzsüz yüzey üzerindeki çalışmalar kadar yaygın değildir. Bu nedenle bu konuda yapılan çalışmalar büyük önem arz etmektedir.
Deneyler 0.5 m genişlikte, 0.5 m derinlikte ve 12.35 m uzunluğunda bir kararlı akım kanlında yapılmıştır. Kanalda kapalı devre su sirkülasyonu sağlanarak kararlı akım oluşturulmuştur. Kanalın 8 m lik bir kısmında çalışmalar yapılmıştır. D= 3,7cm lik ortalama çapa sahip taşlardan kanal tabanı üzerinde kaplama/pürüzlülük tabakası oluşturulmuştur. Hız ve türbülans büyüklüklerini ölçmek için rasgele 4 adet taş seçilmiştir. Bu taşların birbirlerine göre konumunu koruması için silikonla yapıştırılmıştır (Şekil1). Bu taşlar üzerinde 1cm aralıklara sahip olacak şekilde 64 nokta belirlenerek bu noktalarda ölçümler yapılmıştır (Şekil 2). Akımın derinlik boyunca hızı ve türbülans karakterlerini belirlemek için düşey doğrultuda 24 noktada ölçüm yapılmıştır. Düşey profiller, ölçülen büyüklüklerin zamansal ve uzaysal ortalamaları alınarak belirlenmiştir. Şekil 1. D=3.7cm lik dört adet taştan oluşturulmuş deney düzeneği 1 2 3 4 Şekil 2. Üzerinde ölçüm yapılan 64 noktanın taşlar üzerinde gösterimi
1) Ayrıca türbülansın taşlar arasındaki oyukta etkisini araştırmak için tek tanecik deneyleri yapılmıştır. Burada tanecik kaplama tabakası içine yerleştirilerek taneciğin taşlar arasındaki hareketi su altı kamerası ile gözlenmiştir (Şekil 3). Taş, çap D Akım Yönü Tanecik, çap d Şekil 3. Tek tanecik deneyi düzeneği Hız ölçümleri NORTEK 10 Mhz Acoustic Velocimeter (NDV) ile yapılmıştır. ADV ile akımda noktasal hızlar üç boyutlu olarak ölçebilmektedir. Noktasal hızlar x, y ve z doğrultuların sırasıyla u,v ve w olmak üzere 3 yöndeki akım hızlarını 25 Hz lik bir frekansla ölçmektedir. BULGULAR Bu çalışmada yapılan deneyler sonucunda elde edilen sonuçlar ve yorumlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir. Çalışmada taban yakınında ve taban pürüzlülükleri arasında türbülans ve türbülansın oluşturduğu kayma gerilmesi dağılımı belirlenmiştir. Taban yakınında türbülans çalkantı bileşenlerinin genliği artmaktadır. Sunulan çalışmada elde edilen sonuçlar, literatürdeki Nezu (1997),Nezu ve Nakagawa (1993, p.57) ve Sumer ve diğ. (2001) gibi çalışmalardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çalışmalarda elde edilen sonuçlar, bu üç çalışmanın sonuçlarıyla uygundur. Sunulan çalışmada DU /ν = 1841, Nezu nun çalışmaların bu değer 140 ve Sumer,Cokgor ve Fredsoe çalışmalarında 2000 dir. Bu farklılıklara rağmen sonuçlar, sınır tabakasının tamamen türbülanslı olması sebebiyle birbirine uymaktadır. Taşlar arasına akım bölgesinden bir momentum transferi olduğu bunun bir vorteks oluşturdulğu ve bu vorteksin tekrar akıma emildiği gözlenmiştir. f
KAYNAKLAR Bayazit, M. (1971). Hareketli tabanlı akımların hidroliği, İ.T.Ü.,Türkiye, 34-48 Bayazit, M. (1976). Free surface flow in a channel of large relative roughness. J.Hydr. Res., Delft, The Netherlands, 14(2), 115-125. Bayazit, M. (1983). Flow structure and sediment transport mechanics in steep channel. Proc., Euromech 156, Mech. Of Sediment transport, Balkema, Rotterdam, The Netherlandds, 197-206. Kamphuis, J W. (1974). Determination of sand roughness for fized beds. J. Hydr. Res., Delft, The Netherlands, 12(2), 193-203. Kramer, H. (1935), Sand mixtures and sand movement in fluvial models, Transsections, ASCE, Vol. 100, 798-878 Nezu, I. (1977). Turbulence structures in open-channel flows. PhD thesis, Kyoto University, Kyoto, Japan. Nezu, I.and Nakagawa, H. (1993). Turbulence in open-channel flow. IAHR Monograph, Balkema, Rotterdam, the Netherlands. Shields, A. (1936). Anwendug der Aehnlichketsmechanik und der Turbulenzforschung auf die Geschiebebewegung. Mitteilungen der Preussischen Versuchsanstalt fur Wasserbau und Schiffbau, 6 (in German). Sumer, B. M. (1986). Recent developments on the mechanics of sediment transport. Proc., Euromech 192, Balkema, Rotterdam, The Netherlands, 3-13. Sumer, B. M., and Deigaard, R. (1981). Particle motions near the bottom in turbulent flow in an open channel-part 2. J.Fluid Mech., Cambridge, U.K., 109, 311-337 Sumer, B. M., Cokgor S. And Fredsoe J. (2001). Suction removal of sediment from between armor blocks, ASCE Vol. 127, 293-305 UNESCO, DSI, (1996). Sediment Transport Technology, Post Graduate Course, proceedings Vol. 1,Chapter 4.