Merkezi bölme duvarlı savak akımlarının deneysel ve sayısal incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, Merkezi bölme duvarlı savağının etrafında oluşan türbülanslı akım deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Yatay eğimli bir deney kanalında yapılan deneysel çalışmalarda, savağın membasındaki farklı istasyonlarda Akustik Doppler Hızölçer (ADH) ile yapılan ölçümlerde ortalama hız ve türbülans profilleri elde edilmiş, savağın kritik yerlerine yerleştirilen minyatür basınç sensörleri ile savak üzerinde oluşan anlık ve ortalama hidrodinamik basınçlar ölçülerek savak üzerinde oluşan basınç dağılımları elde edilmiştir. Savak etrafında oluşan üç boyutlu türbülanslı ve serbest yüzeyli akımın benzetimi açık kaynak kodlu OpenFoam yazılımı kullanılarak çok işlemcili bulut hesaplama kümeleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Savak etrafında oluşan ayrışma ve ters basınç değişimi etkilerini daha iyi yakalayabilmek için sayısal hesaplamalarda k-omega SST türbülans kapanma modeli kullanılmıştır. Sayısal sonuçlar deneysel çalışmalardan elde edilen hız ve türbülans ölçümleri ile karşılaştırıldığında, sayısal modelin savağın etrafında oluşan türbülanslı akımı başarılı bir şekilde hesaplayabildiği görülmüştür. Savağın mansabındaki çevrinti bölgelerinden dolayı savağın arka yüzeyinde yan yüzeylere göre daha düşük ortalama basınçlar ölçülürken, buralarda yüksek basınç çalkantıları gözlenmiştir. Deneysel ölçüm sonuçları ile doğrulanmış sayısal model kullanılarak farklı debiler için yapılan sayısal benzetimlerde, debi arttıkça serbest yüzeyde oluşan değişimlerin ve savak mansabındaki hidrolik sıçramanın etkisinin arttığı görülmüştür. Savağın mansabında oluşan vorteks çifti serbest yüzeyde ani yükselmelere neden olmuş, savağa yakın bölgede su derinliğinin azaldığı görülmüştür. Akım derinliğinin kritik derinliğe eşit olduğu noktanın savağın burnundan olan mesafenin değişimi incelendiğinde Reynolds sayısı arttıkça boyutsuz L_xc/h değerinin azaldığı görülmüştür. Savak etrafındaki hareketli vorteks yapılarından dolayı savak üzerinde zamanla değişen hidrodinamik kuvvetler meydana gelmekte olup savağın tasarımında bu etkilerin dikkate alınması gerekmektedir. Basınç kuvvetlerinde etkili bir periyodik davranış gözlenmezken, savak üzerinde oluşan viskoz kuvvetlerin periyodik olarak değiştiği görülmüştür.

In this thesis, turbulent flow through the central baffle is investigated experimentally and numerically. A series of experimental studies was carried out for different flow rates in a laboratory flume with horizontal bottom. Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) was used for the measurement of mean velocity and turbulence stresses at the upstream of the weir and pressure distributions over the weir were measured using miniature pressure sensors located at the different critical locations of the weir. Three-dimensional turbulent flow over the weir is simulated using an open source code OpenFoam with parallel computing strategies on cloud computing clusters. In the numerical simulations, k-omega SST turbulence closure model is used in order to account for adverse pressure gradients and separation effects forming over the weir. Comparison of numerical results with the experimental measurements obtained in the present thesis shows that the present computational model can accurately simulate the turbulent flow through the weir. While recirculation zones observed downstream of the weir resulted in lower hydrodynamic pressure at the downstream face than that on the side faces of weir, significant pressure fluctuations were observed in those regions. Dimensionless L_xc/h, which is the distance from the nose of the weir to the intersection of the flow and critical depths, increases with the Reynolds number. A series of numerical simulations was performed for varying flow rates using the numerical model validated with the experimental measurements and it is observed that the free-surface deformations due to the hydraulic jump become significant when the flow rate increases. Vortex pairs forming downstream of the weir caused sudden changes on the free-surface with lower flow depths near the downstream of the weir. Significant hydrodynamic forces occur on the weir due to the energetic vortex structures, which should be considered in the structural design of the weir. Numerical simulations suggest that the pressure forces are devoid of any periodic variations, whereas viscous forces show a periodic variation due to the large eddies downstream of the weir.