Mathematical modeling of air-water flow structure in circular dropshafts

Abstract

Günlük yaşamda bireylerin ulaşım, haberleşme, temiz su ve atık su gibi hayati ihtiyaçları kent alt yapısı ile giderilmektedir. Kentlerde nufus artışı dolayısı ile oluşan yatay ve dikey büyümelerinin sonucunda da ciddi bir altyapı talebi ortaya çıkmaktadır. Gelişmekte olan kentlerin gerekli alt yapı sistemlerinin artan endüstriyel tesis ve konut talebine cevap verecek kapasitede projelendirilmesi gerekmektedir. Teknik alt yapının yetersiz kaldığı bölgelerde zamanla aşırı trafik, sel-yağmur baskınları, hava kirliliği sorunları ile otopark, içme ve kullanma suyu, haberleşme yetersizliği gibi sorunların oluşması kaçınılmaz olup bu sorunlar zamanla toplumsal problemlere ve sağlık problemlerine yol açacaktır. Bu noktada kent-medeniyet gelişiminin öncelikli faktörünün altyapı çalışmaları olduğu ve inşaat mühendisliğinin ingilizce karşılığının civil engineering-medeniyet mühendisliği olmasının ne kadar manidar olduğu anlaşılmaktadır.Düşülü bacalar, kanalizasyon veya yağmur suyu gibi basınçsız akan borulu sistemlerde, hattın yönünü değiştirmek, düşü sağlamak ve enerji kırmak amacı ile kullanılan, genellikle dairesel kesitli imal edilen su yapılarıdır. Çalışma prensiplerinde akımın içinde oluşan hava miktarı önemlidir ve bu çalışmada temel olarak bu iki fazlı akım incelenmiştir. Enerji kırılması ve havalanma arasında doğrudan bağlantı bulunduğu Chanson (2002) tarafından gösterilmiş olup enerji kırılımına etkiyen faktörlerin ne oranda ve nasıl etki ettikleri henüz tam anlamıyla bilinmemektedir. Bu faktörlerin tam anlamıyla bilinmesi halinde ise daha efektif düşülü baca tasarımları yapılacak ve çok daha etkili altyapı sistemleri dizaynının önü açılmış olacaktır. Bu çalışmanın amacı da dizayn faktörlerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği-HAD programları kullanılarak daha kapsamlı araştırılmasına rehberlik etmektir. İlgili programların tercih edilmesinin sebebi, hidrolik modellemeye göre daha az malzeme, işçilik ve zaman maliyeti olmasıdır. Kullanılan HAD programındaki girdilerin, çıktıların ve çözüm sisteminin yeterliliği daha önce yapılmış olan hidrolik deney sonuçları ile karşılaştırılması ile ortaya koyulmuştur.Anahtar Kelimeler: Düşülü Bacalar, HAD, İki Fazlı Akış, Kanalizasyon Sistemi, Yağmur Suyu Sistemi

Citizens' daily needs such as; transportation, communication, clean water and sewage are supplied with infrastructure systems. Horizontal and vertical expansion in the cities due to the increase in population leads to serious demand for infrastructural improvements. The infrastructure systems in developing cities are required to be designed in a satisfactory capacity to supply the increasing demand for residential and industrial constructions. The districts having insufficient infrastructure systems inevitably confront heavy traffic, flood, air pollution problems, and also having difficulties with the inadequacy of parking area, clear and potable water, communication. The problems may cause social and health problems over time. At this point, it is wished to emphasize that the primary factor of city-civilization development depends on infrastructural systems and it is meaningful to name the engineering field like civil engineering, literally leads civilization.Dropshafts, commonly used in the urban storm and sewage water systems produced generally circular are used for energy dissipation and flow direction control. Aeration is significant for the working principle of the flow in dropshaft and this study is made mainly for this two-phase (air-water) physics of dropshafts. Chanson showed that aeration and energy dissipation is directly linked to each other (2002), but the influencing factors and the action mechanisms of the factors on the phenomena are not discovered entirely. By the comprehension of the factors, more effective dropshafts will be able to design. This study aims to guide the more comprehensive investigation of design factors using Computational Fluid Dynamics-CFD programs. The reasons for the preference of the programs are the cost-effectiveness of material, workmanship and duration relative to hydraulic modelling. The competence of the inputs, outputs and solution system of the CFD code is validated by the comparison of previous hydraulic modelling results.Keywords: CFD, Dropshaft, Sewer system, Storm Water System, Two-Phase Flow