Baraj dolusavak kanalında enerji kaybının incelenmesi

Abstract

122 ÖZET Dolusavak yapıları. akarsuyun baraj haznesine getirdikleri suyun barajı doldurduktan sonra fazlasını baraj mansabına emniyetle taşımaya yarayan yapılardır. Bu işlem genellikle, baraj gövdesi tarafından yükseltilen fazla suyun, bir açık kanal yardımı ile alınarak tekrar doğal akis yeri olan nehir yatağına veya doğal drenaj kanalına akıtılması şeklinde gerçekleşir. Suyun kret seviyesinden talveg kotuna taşınması ihtiyacı, dik eğimli bir kanal tertipleme zorunluluğunu doğurur. Akım hızının 8 ila 30 m/s arasında değişimi dolusavak kanallarının çoğunda rastlanan sınırlardır. Suyun yüksek hızla ve türbülanslı olarak akması, barajın hemen yakınındaki yapılara zarar vermeden veya ciddi bir aşınma ve erozyona neden olmadan tekrar nehir yatağına döndür ülmesini gerektirmektedir.Bu amaçla dolusavak kanalının akarsu yatağı ile birleştiği noktada bir enerji kırıcı tesis inşa edilir. Bu enerji kırıcı tesisin etkili olabilmesinde suyun kanal sonunda sahip olduğu enerjinin mümkün olduğu ölçüde doğru bir şekilde tahmin edilmesine ihtiyaç vardır. Diğer bir deyişle akımın kanal boyunca kaybettiği enerjinin sağlıklı olarak tespiti enerji kırıcı yapının tasarımını etkilemektedir. Bu çalışmada akım hızları, laboratuvarda inşa edilen 180x20x20 cm boyutlarındaki bir dolusavak modeli kullanılarak kret noktası dahil kanalın 14 kesitinde ve 0.207. 0.335, 0.473, 0.622 olmak üzere dört ayrı kanal eğimı için ölçülmüştür. Deneyler her bir taban egimindeki 3 farklı debi için tekrarlanmıştır. Kesit aralıkları kanalın başlangıcından ortasına kadar 10 cm, kanalın ortasından sonuna kadar 15 cm aralıklarla seçilmiştir.Seçilen bu kesitlerde akım hızları, laser123 ışınları yardımı ile hassas olarak ölçüm yapabilen D1SA55L Laser Doppler Anemometresi kullanılarak, ölçülmüş ve hız dağılım profilleri elde edilmiştir.Laser Anemometresi ile ulaşılamayan kret ve kanal uç kesitlerinde Pitot tüpü kullanılmıştır. Elde edilen hız profilleri yardımıyla ölçülen kesitlerde sınır tabakası kalınlığı saptanmış ve sınır tabakasının akım boyunca gelişimi incelenmiştir.ölçülen hız profillerinden kanalın sonuna doğru akımın üniforma oldukça yaklaştığı görülmüştür.Sınır tabakasının gelişme bölgesindeki deneysel hız profilleri üslü bir fonksiyon ile matematiksel olarak ifade edilmiştir. Ayrıca deneysel olarak elde edilen sınır tabakası kalınlığı, teorik olarak elde edilen sınır tabakası kalınlığı ile karşılaştırılmış ve bazı debi ve taban eğimleri için iyi uyum sağladığı halde bazı durumlardada kısmen uyum sağladığı tespit edilmiştir. ölçülen hız profillerinden sınır kayma gerilmesinin akım boyunca değişimi incelenmiş ve ölçüm kesitlerinde kinetik enerji düzeltme faktörü hesaplanmıştır. Deneylerden elde edilen bulgulara göre kinetik enerji düzeltme faktörünün 1.004 ile 1.08 arasında değiştiği görülmüştür. Mevcut çalışmadaki deneylerde kanal eğimi 0.207 ile 0.622 arasındaki eğimleri kapsamakta olup pratikte çoğunlukla karşılaşılabilecek dolusavak kanal eğimlerini içine almaktadır.ölçülen hız profilleri yardımıyla değişik debi ve kanal taban eğimleri için akımda kinetik enerji yükseklikleri hesaplanmış, enerji kaybının yere ve düşüye bağlı olarak hesabı için pratik amaçlara yönelik olmak üzere grafikler geliştirilmiştir. Sunulan bu grafikler yardımıyla herhangi bir debi ve kanal eğiminde kanalın herhangi bir kesitinde enerji kaybının tahmin edilmesi mümkündür.

124 SUMMARY As an important part of dams, spillways convey- safely the excess water of the impounding reservoirs to the downstream. This operation is generally done by an open channel between the elevated water level in the reservoir and the natural river bed or a drainage channel. The need to carry the water from the spillway crest level down to the talveg necessitates the construction of a steep sloped channel. Flow velocity in the spillway channel (Chute) usually varies between 8 m/s and 30 m/s.It is desirable that spillway water of such a high velocity and with high turbulence not to cause any damage to the nearby structures or erosion in the river. For that purpose an energy dissipator is built at the downstream end of the channel. The correct estimation of the flow energy at the end of the chute influences the efficiency of the energy dissipator. In other words, the correct determination of the energy loss over the spillway channel affects the design of the dissipator. în this study, flow velocities are measured in a laboratory spillway model which is 180 cm long. 20 cm wide and 20 cm deep. Measurements are conducted at 14 sections (including crest) along the center line of the channel with 10 cm and 15 cm intervals, for three different flow rates and 0.207.0.335.0.473 and 0.622 bed slopes. In the measurement of the velocity a sensitive flow measuring apparatus, DÎSA55L Laser Doppler Anemometer is used. Pitot tube is also used at places where anemometer measurement is impossible. From the measured velocity profiles the thickness of the flow boundary layer is determined and the development of the boundary layer along the channel125 length is investigated. The velocity profiles show that the towards the end of the channel, the flow becomes almost uniform. In the developing boundary flow, the velocity profiles are expressed mathematically by a power law. Using a theoretical approach, the development of the boundary layer thickness is examined and the theoretical results are quite in agreement with the experimental results in some part of the flow profile. Using the measured velocity profiles the variation of the wall shear stress in the direction of flow is determined and the kinetic energy coefficient at various sections are calculated.lt is found that the value of the coefficient varies between 1.004 and 1.08. In the present study» the channel slope varies between 0.207 and 0.622 which covers a spillway slope range that is mostly encountered in practice.Using the velocity profiles for different discharge and bed slope, kinetic energy heads are calculated. The results of the energy dissipation in the channel depending on the length and fall of the spillway, are presented graphically.These experimental results are expected to be used for practical applications when the estimation of the energy loss at any length of the spillway channel is needed.