Numerical modeling of the bosphorus exchange flow dynamics

Abstract

İstanbul Boğazının temel akıntı yapısını incelemeyi amaçlayan, hem idealize geometri hem de gerçekçi geometri ve batimetri koşulları altında gerçekleştirilen sayısal modelleme çalışmaları, Boğaz'ın temel hidrodinamik davranışını ve bu davranışı belirleyen fiziksel süreçleri açıklayan sonuçlar vermiştir. İstanbul Boğazı üzerinden taşınan Karadeniz ve Akdeniz kaynaklı iki tabakalı değişim akımının, çeşitli topografik kısıtlamalarda gerçekleşen hidrolik kontroller sayesinde, azami-değişim sistemine en uygun olduğu görülmüştür. Sistem, komşu basenlerdeki tabakalaşmaya, su bütçelerine, türbülant karışımın şiddeti gibi içsel proseslere, hidrolik kontrollerdeki kritik geçişlere, akabindeki dağılım ve tekrar yapılanmaya ve bu etmenler arasındaki etkileşimler gibi çeşitli fiziksel faktörlere tepki vermektedir.Yüksek kesme gerilimine sahip durağan akıntıların kritikliğini saptamada basit modellerin uygulanabilirliğini arttırabilecek çeşitli yaklaşımlar hidrolik kontrollerin varlığını göstermiştir. Çoğu zaman, en az iki hidrolik kontrolle sağlanan azami-değişim'in varolduğu sonucuna varılmış ve dalga yaratma deneyleriyle doğrulanmıştır. Komşu basenlerdeki hidrografik koşulların sebep oldugu net barotropik akışa verilen tepkiyi incelemek için yapılan deneyler, nitelik olarak birçok yönden gözlemlerle örtüşen karmaşık davranışlara işaret etmektedir. Akış davranışı; bilinen menderesler, girdaplar, yoğun türbülans bölgelerindeki mekanik enerji kayıpları, hidrolik kontrollerdeki su seviyesi ve arayüz derinlik değişimleri ve komşu denizlere ulaşan jet benzeri yüzey ve dip akıntılarıyla model tarafından başarıyla üretilmiştir. Saha çalışmalarında daha önce de gözlemlendiği üzere, üst ve alt ana akım hatlarınin boğazın geometrisiyle belirlenen farklı yolları takip ettikleri gösterilmiştir. Blokaj durumları haricinde, hidrolik kontroller test edilen bütün barotropik akış değerleri aralığı için; güney çıkışında, kuzey eşiğinde ve yeterince güçlü kuzey yönlü akışlar dışında daralma bölgesinde (ki bu durumda güney-çıkış güney eşik kombinasyonu daralmadaki kontrolün yerine geçer) aktif olmayı sürdürmüştür.Karadeniz ve Marmara Denizi'ni birbirine bağlayan olası insan yapımı ikinci bir kanalın iki basen arasındaki hacim degişimi üzerindeki etkisi hakkında temel bir fikir edinme amacıyla bir ön çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu tez kapsamında dikdörtgen kesitli düz bir kanal için yapılan deneyler, Marmara Denizi'ne doğru hafif ve orta düzeydeki akılarda hem tabakalı hem de homojen rezervuar koşulları altında, Marmara Denizi kaynaklı alt akımın bu yeni kanal üzerinden Karadeniz'e ulaşamadığını, üst tabaka akışının ise ~4%'luk kısmının bu yeni geçiş üzerinden taşındığını göstermiştir.Gerçekçi İstanbul Boğazı değişim dinamikleri, geniş bir akıntı durum yelpazesi altında modellenmiştir. Model sonuçlarının analizi boğazın gözlemlenmiş bir çok özelliğini başarıyla açıklamıştır ve boğazların belirli problemlerinin çözümünde kullanılabilecek yararlı bir araç olmayı vadetmektedir.İdealize ve gerçekçi İstanbul Boğazı modelleri için değişim akıntılarının hidrolik yorumu, çeşitli geometrik kontrol bölgelerindeki hidrolik kritikliğin doğru gösterimi için tabaka tanımlamasının ve Froude-sayısı yaklaşımının önemini göstermiştir.Boğazın geometrisine bağlı olarak belirlenen en az iki hidrolik kontrol noktası (güney-çıkışı, daralma, ve kuzey eşiği) ile sağlanan azami-değişim akım koşulları, Boğaz'dan geçen barotropik akım ile birlikte kuzey ve güney rezervuarlar arasındaki yoğunluk farkına tabi olup -kontroller reservuarlardaki tabakalaşmanın değişimiyle boğulmadığı takdirde- komşu denizlerdeki tabakalaşmanın belirlediği özgün çözümler ortaya çıkarmaktadır. Azami-değişim çözümleri ve boğulmuş çözümler arasındaki belirgin fark, TBS (Türk Boğazlar Sistemi) için uygulanacak olan ve İstanbul Boğazı'nın etkisini tümüyle hesaba katan bir modelin sadece topografi ve çözünürlüğe değil, başlangıç koşullarına da duyarlılığını ortaya koymaktadır. Benzer şekilde, TBS'nin tümünün görece büyük ölçekli bir modelinde İstanbul Boğazı değişim akımının küçük ölçekli karakteristiklerini çözümlemek boğaz ve komşu denizler arasındaki etkileşimin de hesaba katılması gerekliliğiyle büyük problemleri birlikte getirir.Homojen ve tabakalı reservuar koşullarında elde edilen çözümler, iki-tabakalı ve üç-tabakalı yaklaşımlara dayanan; arayüzey derinlikleri, tabaka akıları ve boğaz boyunca su seviyesi yüksekliği değişkenliği gibi tanılar sunmaktadır. Mevcut tez, blokaj durumları da dahil olmak üzere geniş bir barotropik akı yelpazesini kapsayan gerçekçi topografi ve hidrografiye ve tümüyle üç-boyutlu bir modele dayandırılmış ilk çalışma olup, İstanbul Boğazı değişim akımları hakkında bu derece değerli bilgileri sunması sebebiyle, sonuçlarımızın TBS üzerine daha ayrıntılı ileriki çalışmaları etkilemesini umuyoruz.

Numerical modeling aimed to investigate the Bosphorus basic flow structures with either an idealized geometry or realistic geometry and bathymetry have yielded results elucidating its fundamental hydrodynamic behavior and the physical processes that determine this behavior. The Strait seems to be ideally suited to support the maximal-exchange regime, with hydraulic controls at various topographic constrictions that determine the exchange of waters originating from the Black Sea and the Mediterranean Sea and transported through it. The system responds to various physical factors such as the stratification and water budgets in adjacent basins, internal processes such as the strength of turbulent mixing, the various critical transitions at hydraulic controls and subsequent dissipation and reorganization, and the various interactions between these factors.Steady-state solutions demonstrated the existence of hydraulic controls with various approximations used to enhance the applicability of simple models to detect criticality under flow conditions with high velocity shears. In most cases the existence of maximal-exchange was inferred, based on the existence of at least two hydraulic controls verified by wave excitation tests. Experiments to investigate the response to hydrographical conditions in the adjacent basins leading to a net barotropic volume-flux indicated complex behavior that is in many ways quantitatively similar to the observed. The flow field with many well-known meanders and recirculation areas and mechanical energy dissipation at intensified turbulence areas, surface elevation and interface depth changes at hydraulic controls, the jet-like buoyant or negatively buoyant outflows into adjacent seas were successfully produced by the model. As already observed in the field, the upper and lower layer cores of the exchange currents were shown to follow different paths constrained by the geometry of the strait. Excluding the blocked cases, controls persisted to be active at the south exit and the north sill for almost the whole range of barotropic flux values tested, and at the contraction except for sufficiently strong northward fluxes in which case the southern-exit south sill combination replaces the control at the contraction.A preliminary study is carried for a basic understanding of a probable man-made secondary waterway connecting the Black Sea and the Sea of Marmara on the volume exchange between the two basins. It is shown that for the mean and moderate volume-flux rates towards the Marmara Sea with both stratified and homogenous reservoir conditions, the lower-layer of the Marmara Sea through this new channel is blocked, while ~4% of the surface flux flows from this artificial passage in all cases demonstrated for the rectangular straight channel applied here.The modeling study is implemented for the realistic Bosphorus exchange dynamics over a wide range of possible flow configurations. The model through an analyses of its results successfully demonstrates many observed features of the strait and promises to be a useful tool for solving particular problems of straits.Hydraulic interpretations of the idealized and realistic Bosphorus model results demonstrate the significance of the layer definition and the Froude-number citeria for the correct representation of the hydraulic criticality of the flow in response to geometric changes.Maximal-exchange flow conditions with at least two controls (south-exit, contraction and the north sill) defined by the geometry of the strait, subject to barotropic flux through the strait and density difference between the north and south reservoirs, result in unique solutions where stratification in the neighboring seas determines the exchange unless the controls are drowned by the altered stratification in the reservoirs. The significant difference between the controlled maximal-exchange and drowned solutions suggests that a modeling implementation for the TSS accounting fully for the influence of the Bosphorus Strait needs much care in terms of not only topography and resolution but also initialization as well. Similarly, resolving the fine-scale characteristics of the Bosphorus exchange flow in a relatively larger scale model of the entire TSS poses great problems in accounting for the interaction between the strait and the adjacent seas. Solutions obtained under the homogenous and stratified reservoir conditions provide diagnostic under the two-layer and three-layer approximations, such as the interface depths, layer fluxes and along-channel free-surface variation through the strait. Being the first study providing such valuable information about the Bosphorus exchange based on a fully three-dimensional model with realistic topography and hydrography while covering a wide range of barotropic flow rates including blockage conditions, our results are expected to impact further detailed studies of the TSS.