Dalga kırılmasının hidrolik sıçrama analojisi ile modellenmesi

Abstract

Bu çalışmada plunging tipi dalga kırılması ve hidrolik sıçrama için teorik bir model geliştirilmeye çalışılmıştır. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların ilk aşaması bir su kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanal eğimi ayar koluyla ayarlanabilmektedir. Bu amaçla yatay ve eğimli kanalda, hidrolik sıçramanın topuğuna değişik açılarda jet akımı uygulanarak plunging tipi kırılma benzeştirilmeye çalışılmıştır. Serbest sıçrama ve jetli sıçrama halleri yüksek hızlı bir SVHS kamera yardımı ile görüntü işleme tekniği kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan kırılma, jet akımının çarpması ile oluşan akım yapısı ve bunun neticesinde enerji kaybı hakkında yeni bilgiler sağlanmıştır. Teorik model, serbest sıçrama hali için uygulanan Strip Integral Metodu' nda önerilen modele ait gerekli değişimler yapılarak geliştirilmiştir. Teoriden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmış ve sonuçların yeterince uyumlu olduğu bulunmuştur. Çalışmanın ilk aşamasında hidrolik sıçrama ile ilgili verilerden, sıçramanın topuğuna uygulanan jet akımı nedeniyle çevri uzunluğunun kısaldığı ve enerji kaybının arttığı ortaya çıkmıştır. Çalışmanın ikinci aşaması dalga kanalında farklı durumlar için gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada kırılma sırasmda plunging jetin çarpması ve sonrasında meydana gelen akım yapısıyla ilgili yeni bilgiler edinilmiştir. Deneylerde yine görüntü işleme tekniği kullanılmıştır. Dalga kırılması sırasında kaybolan enerji miktarı ve iki fazlı akım yapısı izah edilmiştir. Bu aşamadaki diğer bir durumda, test silindiri yardımıyla plunging jetin çarpması esnasında uyguladığı kuvvet ölçülerek enerji kaybı belirlenmeye çalışılmıştır. Enerji kaybı ile surf parametresi ve derin su dalga dikliği arasındaki korelasyon izah edilmiştir. Plunging tipi kırılma ile analoji yaratmak için serbest sıçramanın topuğuna uygulanan jet nedeniyle oluşan enerji kaybının serbest sıçramaya göre değişimi araştırılmıştır. Serbest sıçramanın spilling tipi kırılmaya benzeştiği plunging tipi kırılmanın ise jetli sıçramaya benzeştiği düşünülmüştür. Jetin uygulanması halinde küçük menba Froude sayılarında enerji kaybı daha büyüktür. %60 daha büyük olan bu kayıp Froude sayısının büyümesiyle küçülmektedir (%20). Eğimli kanal halinde büyük Froude sayısında enerji kaybı serbest sıçramada daha büyük olmaktadır, bunun sebebi bu çalışmada uygulanan sabit jet akımı nedeniyle oluşan momentum dengesidir. Gerek jetli hidrolik sıçrama gerekse plunging tipi kırılma sırasında harcanan enerji kaybının değişimi bu çalışmada deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Plunging tipi kırılmada plunging jetin ve sıçrama analojisinde uygulanan jetin akımdaki harcanan enerji kaybına katkısının oldukça büyük olduğu anlaşılmaktadır. Çünkü akımın ön cephesine çarpan jetin yarattığı türbülanslı akım yapısı enerji kaybının artmasına neden olmaktadır. Bu çalışmada hidrolik sıçrama analojisinde yaklaşan alam şartlarına bağlı olarak ortaya çıkan enerji kaybı %45'dir. Yine dalga kırılması ile ilgili deneysel veriler enerji kaybının gelen dalga koşullarına göre %60-80 arasında değiştiğini ancak bunun %45-55'nin plunging jetin çarpması sırasında kaybolduğu görülmektedir. Sonuçta hidrolik sıçrama ile dalga kırılması sırasında meydana gelen akım yapısı arasında benzerlik açıklanarak enerji kaybı modellenmiştir.