Experimental and numerical investigation of the local scour around bridge piers in the case of the sediment feeding

Abstract

Köprü ayakları etrafında meydana gelen yerel oyulmalar bir çok çalışmaya konu olmuş olsa da araştırmacılar genellikle temiz su oyulmalarına yönelmişlerdir. Hareketli taban koşulları altında meydana gelen oyulmalara ait çalışmalar az sayıda olup, bu çalışmalarda taşkın hidrografı durumunda oluşan oyulmalar ayrıntılı olarak incelenmemiştir. Bu çalışmanın amacı, taşkın hidrografları durumunda dairesel köprü ayakları etrafında oluşan hareketli taban oyulmasını araştırmaktır.Deneylerde 16 farklı üçgen hidrograf oluşturulmuştur. Üç farklı çapa sahip köprü ayakları, bu hidrograflar altında test edilmiştir. Deneylerde 1,63 mm çapına haiz üniform taban malzemesi kullanılmıştır. Oyulmanın mekaniğiyle ilgili gözlemler, deneyler sırasında elde edilen fotoğraflar ile anlatılmıştır. Hidrograf pik debilerinin ve hidrograf sürelerinin köprü ayakları etrafında oluşan oyulmalara etkisi, ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Nümerik araştırma Flow-3D adlı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan hidrograflardan bir tanesi seçilerek ve LES, RNG ve iki denklem k-ε türbülans modelleri kullanılarak nümerik analiz gerçekleştirilmiştir. Nümerik sonuçlar deneysel bulgular ile karşılaştırılmıştır. LES türbülans modelinin kullanıldığı simülasyonların deneysel sonuçlar ile daha uyumlu olduğu gözlenmiştir.Hidrografın yükselme eğrisi boyunca akış hızının, alçalma eğrisi boyunca ise sediment taşınım miktarının oyulma üzerinde baskın unsur olduğu görülmüştür. Maksimum oyulma derinliğine ait zaman ölçeğini, zamana bağlı oyulma derinliğini, ve maksimum oyulma derinliğini tahmin etmek amacıyla üç ayrı ampirik bağıntı türetilmiştir. İstatistiksel bakımdan anlamlı determinasyon katsayıları elde edilmiştir.

Although local scour around bridge piers were studied numerous times, researches mostly tended to investigate clear water scour. Live bed scour was investigated in few number of studies and unsteady flow conditions were not examined in detail. The aim of this study is to investigate live bed scour under flood hydrographs.During the experiments, 16 different triangular hydrographs were generated. Circular piers with three different diameters were tested under these hydrographs. Uniform bed material of 1.63 mm diameter was used during the experiments. Experimental observations about mechanism of scour were presented by means of images obtained from the experiments. The effects of the peak flow rates and duration of hydrographs on scouring were discussed. Numerical analysis was performed by using a computational fluid dynamics (CFD) software called Flow-3D. One of the hydrographs was selected to realize numerical study by using LES, RNG and two-equations k-ε turbulence models. Numerical results were compared with experimental findings. Simulation results of LES turbulence model was more compatible with experimental results.It was observed that the dominant element of the scour was flow rate during the rising limb and sediment transport rate during the falling limb. Three empirical equations were derived to predict time scale of maximum scour depth, temporal scour depth and maximum scour depth. Statistically significant determination coefficient values are obtained.