Klasik Dikdörtgen Büzülmeli Savakların Mansabında Oluşan Yerel Oyulmaların HAD Yöntemi Kullanılarak İncelenmesi

Abstract

Hidrolik yapıların güvenliği sosyal, ekonomik ve çevresel öneme sahiptir. Yerel oyulmanın neden olduğu hasarları ortadan kaldırmak için ya oyulma tamamen önlenmeli ya da oyulma derinliği en aza indirilmelidir. Bu çalışmada, serbest düşülü klasik büzülmeli dikdörtgen savakların mansabında oluşan yerel oyulma sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analizlerde Flow3D yazılımı ve k-? türbülans modelleri kullanılmıştır. Maksimum oyulma derinliğini belirlemek için analizler üç birim debi (q=0.15, 0.30 ve 0.60 m3/s m) ve üç düşü yüksekliği (H=0.25, 0.50 ve 1.00 m) için gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, su jeti hızı ve çarpma açısı incelenmiştir. Tüm durumlar için denge oyulma derinliğinin yaklaşık %90’ına ilk 15–20 dakika içinde ulaşıldığı ve bunun önceki çalışmalarla uyumlu olduğu belirlenmiştir. Sonuçlara göre, birim debinin artmasıyla denge oyulma derinliği yaklaşık 0.16 m’den 0.23 m’ye yükselmektedir. Ancak, düşü yüksekliğinin belirli bir değerin üzerine çıkmasıyla, mansap havuzuna daha fazla hava kabarcığı girmesine bağlı olarak oyulma derinliği üzerindeki etkinin bir miktar azaldığı görülmüştür. Hesaplanan jet çarpma hızları yaklaşık 2.0 ile 4.9 m/s arasında değişmekte, çarpma açısı ise düşü yüksekliğinin artmasıyla birlikte yaklaşık 82°’ye kadar çıkmaktadır. Sayısal modelden elde edilen sonuçların genel olarak deneysel çalışmalarla uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışma, serbest düşülü koşullarda yüksek düşülü savakların mansabında oluşan yerel oyulmanın üç boyutlu HAD tabanlı değerlendirmesini sunması ve uzun dönem denge oyulma derinliği ile jet çarpma karakteristiklerinin pratik olarak tahmin edilmesine yönelik bir yaklaşım önermesi bakımından özgün niteliktedir.

The safety of hydraulic structures has social, economic, and environmental significance. To eliminate the damage induced by local scouring, either the scouring should be prevented entirely or the scouring depth should be minimized. This study numerically investigated the local scour that develops in the plunge pool downstream of high-head, classical contracted rectangular weirs operating under free overfall conditions. In the numerical analysis, a three-dimensional Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) model with a standard k–? turbulence closure was implemented in Flow-3D®. The analyses were conducted for three unit flow rates (q=0.15, 0.30, and 0.60 m3/s m) and three drop heights (H=0.25, 0.50, and 1.00 m) to determine the maximum scouring depth. Furthermore, the water jet velocity and impingement angle were analyzed. The experimental results were utilized to test the accuracy of the numerical model. For all cases, about 90 % of the equilibrium scour depth was reached within the first 15–20 min, consistent with previous studies. According to the results, the equilibrium scour depth increased from approximately 0.16 m to 0.23 m when the unit discharge was raised. However, after a specific value of the head height, the effect on the depth of scouring is slightly reduced due to the increased air entrainment entering the downstream pool. Computed jet impact velocities ranged from about 2.0 to 4.9 m/s, with impact angles increasing up to ~82° as the drop height increased. The results of the numerical model are generally compatible with experimental studies. This study is original in that it provides a three-dimensional CFD-based assessment of local scour downstream of high-head weirs under free overfall conditions and proposes a practical approach to estimate long-term equilibrium scour depth and jet impact characteristics.