Yer altı drenaj sistemleri hidrodinamiğinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında öncelikli olarak yeraltı atık su ve yağmur suyu toplama/aktarım sistemlerinde kullanılan boruların iç yüzeyine yarım-daire kesitli pürüzlülük elemanlarının düzenli aralıklarla yerleştirilmesinin türbülanslı üniform açık kanal akışı şartları altında akış direnci üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla; 7% eğime sahip 0.6, 0.8, 1.2 ve 2.2 m çaplı borularda 0.1 ile 2.5 m3/s arasında değişen debiler için sayısal çözümler yapılarak Manning pürüzlülük katsayısı n’ nin pürüzlülük elemanlarının genlik-dalga boyu oranı ile değişimi incelenmiştir. Kullanılan sayısal modelin doğruluğunu kontrol etmek amacıyla 0.8 m çapındaki pürüzsüz ve iki farklı genlik-dalga boyu oranına sahip pürüzlü borularda farklı debi değerleri için 1:1 ölçekli deneyler yapılmış ve sayısal çözümlerin öngördüğü Manning sayısı değerlerinin deneylerden elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Elde edilen sayısal çözüm sonuçları kullanılarak Manning pürüzlülük katsayısı n ile pürüzlülük elemanlarının genlik-dalga boyu oranı arasında yeni bir bağıntı önerilmiştir. Sayısal çözüm sonuçları büyük çaplı borularda pürüzlülük genlik-dalga boyu oranındaki belli bir artışın, Manning sayısında görece küçük çaplı borulardakine göre daha büyük bir artışa neden olduğunu göstermiştir. Sayısal çözümler yardımıyla ayrıca Manning pürüzlülük katsayısı n’ nin dairesel kesitli pürüzsüz ve pürüzlü kanalda çap, eğim ile birlikte üniform akış bölgesindeki Reynolds sayısı, Froude sayısı ve doluluk oranı gibi parametreler ile değişimi incelenmiştir. Manning sayısının verilen bir kanal geometrisi için sadece kanal pürüzlülüğüne bağlı geometrik bir parametre olduğu varsayımı yapılarak; ortalama n değerleri çapları 0.1, 0.2, 0.4 ve 0.6 m olan borular için pürüzsüz kanal akışında 0.008, pürüzlü kanal akışında ise 0.012 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak pürüzlülüğün artmasıyla Manning sayısında dikkate değer bir artış sağlandığı görülmüştür. Bu da yüksek eğimlerde yeraltı atık su hatlarında akışkanın hızının düşürülerek aşındırıcı etkisinin azaltılması açısından istenen bir sonuçtur. Dairesel kesitli pürüzsüz ve pürüzlü kanallardaki açık kanal akışında geçiş bölgesi uzunluğunun kanal giriş şartları ve bazı geometrik parametrelerle değişimini incelemek amacıyla ayrıca sayısal çözümler yapılmıştır. Burada ele alınan parametreler kanal eğimi ile giriş kesitindeki Reynolds sayısı, Froude sayısı ve derinlik oranıdır. Buna göre, boru akışındakinin tersine, açık kanal akışında geçiş bölgesi uzunluğu ve Reynolds sayısı arasında genel olarak ters orantılı bir değişim görülmüştür. Geçiş bölgesi uzunluğunun ayrıca Froude sayısı, doluluk oranı ve kanal eğimiyle değişimini belirten genel fonksiyonel biçimler tespit edilmiştir. Sayısal çözüm sonuçlarına göre kanal çapı ile boyutsuzlaştırılmış geçiş bölgesi uzunluğu için pürüzsüz kanal akışında üniform akışın büyük oranda garanti altına alındığı değer kabaca 110, pürüzlü kanal akışında ise 60 olarak alınabilir. Son olarak, dairesel kesitli bir düşü bacasında gerçekleşen üç özel akış rejimi hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Baca içerisindeki akışın hesaplanmasında kullanılan sayısal çözüm yönteminin doğruluğunun kontrol edilmesi amacıyla, yatay bir düzleme çarpan jet akımı farklı türbülans modelleri ve duvar fonksiyonları kullanılarak çözülmüş ve bu sayısal çözümlerin sonuçları literatürde daha önce sunulmuş olan deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Baca içerisindeki bağıl enerji kaybı ve havuz derinliğini en iyi tahmin eden türbülans modelinin − < realizable, duvar fonksiyonunun ise non-equilibrium duvar fonksiyonu olduğu tespit edilmiştir. Bu sayısal model kullanılarak jet akımının doğrudan baca tabanındaki su yastığına, çıkış hattı ağzına ve baca duvarına çarptığı üç farklı çarpma durumu için sayısal çözümler yapılmıştır. Sayısal sonuçlar bağıl enerji kaybı, yerel kayıp katsayısı, havuz derinliği gibi bazı değişkenler cinsinden düşü bacası ile ilgili literatürde sunulmuş olan bir deneysel çalışmanın sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak sayısal çözümlerin öngördüğü bağıl enerji kaybının deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür. Ek olarak, baca içerisindeki hız ve basınç alanına ilişkin sonuçlar seçilen bazı düzlemler üzerinde akım geometrisine ilişkin kritik noktalar ile birlikte sunulmuştur.