Yan savaklardaki akımın kıvrımlı bir kanal boyunca incelenmesi

Abstract

II ÖZET Kapasite fazlası debinin savaklanması veya ihtiyaç debisinin toplanması gibi durumlar söz konusu olduğunda, atık su kanallarındaki yan savak veya barajlardaki yan dolu savaklar gibi yapılar inşa edilmektedir. Bir kanal veya rezervuardan suyun uzaklaştırılması amacıyla tanımlanan yan savak terimi iki tip hidrolik yapıda kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi klasik yan savak tanımıdır. Eğer belirli bir su seviyesi elde etmek veya akımın belli bir kısmım uzaklaştırmak gerekirse klasik yan savaklar kullanılmaktadır. İkinci olarak tanımlanan yan dolusavaklar ise, rezervuarlardan taşlan debisinin uzaklaştırılması için kullanılmaktadır. Yan savak kreti genellikle kanal eksenine paralel veya belli bir açı yapacak şekilde düzenlenmektedir. Aynı zamanda kanal tabanına paralel veya belli bir eğimde yapılabilmektedir. Yan savaklar dikdörtgen, üçgen veya trapez kesitte olabileceği gibi, kret tipine göre keskin kenarlı veya kaim kenarlı olarak seçilmektedirler. Yanal akım nedeniyle savak ile ana kanal arasındaki akım yapısı tedrici değişen bir karakter göstermektedir. Savaklanan akım miktarının tam doğru şekilde tespit edilmesi teorik olarak oldukça zordur. Bu sebeple akım şartlarının iyi tespit edilmesi için deneysel çalışma tercih edilmektedir. Pek çok araştırmacı klasik yan savaklar için teorik ve deneysel çalışma yapmıştır. Ancak şimdiye kadar verilen eşitliklerin hiçbiri doğrusal kanallarda bile oldukça yeterli görülmemektedir. Hız dağılımları da genellikle kanal enkesit tipine bağlıdır. Pek çok araştırmacı trapez, yan dairesel v.s. gibi kanal kesitlerinde çalışmalarına rağmen, literatürde kıvrımlı kanallara yerleştirilen yan savaklar üzerine az sayıda çalışma mevcuttur. Bu araştırmaların çoğu su alma yapılan ya da katı madde hareketi ile ilgilidir. Kıvrımlı bir kanaldaki akım, ataleti sebebiyle doğrusal bir yörünge izlemek ister. Ortalama hızdan daha büyük hıza sahip yüzey yakınlarındaki akışkan zerrecikleri, ortalama hızdan daha küçük hıza sahip kanal tabam yakınlarındaki akışkanIII zerreciklerinden daha büyük atalete sahip olmaktadır. Akışkan kütlesi sürekliliğini sürdürmek için, daha büyük atalete sahip akışkan zerrecikleri kıvrımın dış kıyısına doğru hareket ederken, düşük atalete sahip akışkan zerrecikleri iç kıyıya doğru yönelir. Bunun sonucunda helikoldal akım meydana gelmektedir. Kıvrımın mevcudiyeti enine ve boyuna su yüzü eğimine neden olmaktadır. Eğer kanalda sel rejimli bir akım söz konusu ise duran dalgalar oluşmaktadır. Yukarıda bahsedilenlerden anlaşılacağı gibi, yanal akım ve kıvrımlı kanal akımı birlikte söz konusu olduğunda çok karmaşık bir akım yapısı meydana gelecektir. Bu çalışmada, kıvrım boyunca yerleştirilen dikdörtgen kesitli yan savağın hidroliği deneysel olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışma süresince, farklı yan savak boyutları için kıvrım boyunca C«j yan savak debi katsayıları, derinlik boyunca teğetsel hız dağılımları ve su yüzü profilleri belirlenmiştir. Derinlik boyunca teğetsel hız dağılımları, yalnız kıvrım ve yan savaklardan aktif savaklarıma hallerinde ayn ayrı belirlenmiştir. Aktif savaklarıma halinde yan savak boyunca teğetsel hız dağılımlarında belirgin değişimler gözlenmiştir. Yan savak mansabında ana kanalın iç kıyısı civarında durgunluk bölgesi oluşmuştur. Doğrusal kanallarda bilinenlerin aksine, kıvrımlı kanalda daha düşük Froude sayılarında sel rejimi şartlan oluşmuştur. Bunun sonucunda yan savak mansabında ana kanalda duran dalgalar gözlenmiştir. Sonuçlar, (L/b veya L/r) rölatif yan savak uzunluğunun, (8) kıvrım açısı, (p/hı) rölatif yan savak kret yüksekliğinin ve (Frj) Froude sayısının Çd yan savak debi katsayısına belirgin olarak etki ettiklerini göstermiştir. C<j yan savak debi katsayısının Froude sayışma bap olarak arttığı ve doğrusal kanallarda elde edilen yan savak debi katsayılarından daha büyük değerlere sahip olduğu gözlenmiştir. Kıvrımdaki akım yapısından dolayı en büyük Cd yan savak debi katsayıları 8=60° de elde edilmiştir. Bu çalışmada oldukça kapsamlı deneysel çalışma yapılmasına rağmen, hala bazı önemli noktaların araştırılması gereği ortaya çıkmıştır.

IV SUMMARY There are a few circumstances when it is necessary to discharge water into or out of stream, typical instances being side weirs in sewers and side spillways. The term 'side weirs' usually refers to two different hydraulic structures having a similar purpose, i.e. drawing off water from a channel or reservoir, but different hydraulic properties and designs. The classic side or lateral weir draws off part of the discharge is to be limited or divided or if a certain water level is to be maintained. The second type are side channel spillways for passing flood discharges from reservoirs. The weir crest of a lateral weir is usually parallel to the axis of the channel, or slightly inclined towards it. The crest can be horizontal or also slightly sloping in the direction of flow. There are different types of side weir which are rectangular, triangular and trapezoidal, and also they can be sharp crested and broad crested according to the crest type. The overfall head at the weir changes along the spillway crest. The channel flow at the weir is a spatially varied nonuniform flow conditioned by the division of the flow between the main channel and the weir, which further changes with varying crest shapes and with different positions of the side weir, i.e. in a straight channel or in a bend. It is therefore difficult to compute the flow theoretically with any safety and for the design of large and important side channel weirs it is best to investigate the flow, discharge condition and design details on scale models. Many scientists have dealt with the theoretical and experimental solution of the classical side weir. However none of the equations encounteres up to now is the best appropriate even in straight channel. In general, the velocity distribution also depends on channel shape. Some of the investigators work on the different channel shapes which are rectangular, trapezoidal circular etc. Howewer, only minor research about side weirs on bends have been existed in literature. Most of these investigations are about sediment problems and lateral intake structures. As flow passes around the bend, the inertia of the water tries to keep the water flowing in a straigth paöı. The water near the surface, which has a velocity somewhatgreater than the average velocity, posseses greater inertia than that near the bottom, which has a velocity less than the average. This greater inertia directs the higher-velocity water toward the outer channel bank while the slower water moves inward to satisfy continuity. This results in a spiral flow that may persist for some distance downstream. The presence of a bend also causes tilting of the water surface. If the flow is supercritical, standing waves of a heigth of about the same magnitude as the tilt may be expected. As it is mentioned above that the combination of lateral flow and bend flow will cause the most complex flow pattern. In this study, it is aimed that hydraulic behavior of rectangular side weirs flow along a bend have been investigated experimentally. During the experimental work; side weir discharges, depth averaged velocities along 180° bend and water surface profiles were determined for different rectangular side wen- dimensions. Comparisons were made of depth-averaged velocities between bend only and bend with active side weir conditions. It was found that significant changes occured along the weir sections. In particular, a stagnation zone in the inner side of the channel bend has been formed. Additional seconder flows added to bend spiral flow due to lateral flow along the side weirs. Supercritical flow conditions occured for lower Froude numbers comparing to the normal conditions, hence standing waves were happened at the downstream of weirs. The results show that relative side weir length (L/b and L/r), bend angle (6), relative weir heigth (p/hj) and Froude number have significant effect on the weir discharge coefficient (C,j). The discharge coefficient increases with Froude number increases and they have much more high values than the weir discharge coefficient in straigth channel. Also the most discharging was found at 60° bend angle due to bend flow pattern. However a quite more comprehensive experimental investigate was carried out in this study, there are still some important points which have been needed to investigate for further researches.