EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF OPEN CHANNEL FLOW CHARACTERISTICS OF NEWTONIAN AND NON-NEWTONIAN FLUIDS

Abstract

Bu tez, açık bir kanal içerisinde farklı engellerin Newton tipi ve Newton tipi olmayan akışkan akış dinamiği üzerindeki etkilerini araştırmaktadır. Deney, açık bir kanala (4 m uzunluğunda, 0.3 m yüksekliğinde ve 0.2 m genişliğinde) engellerin, dikdörtgen şekillerin, dikdörtgen kemerlerin, küplerin, silindirik ve dikdörtgen şekillerin yerleştirilmesini içermektedir. 0.0035 m3/s ile 0.0045 m3/s arasında değişen akış debileri 0?, 1.0156? ve 1.406? eğimlerde test edilmiştir. Sayısal yaklaşım, giriş parametrelerinin ve sınır koşullarının doğru şekilde belirlenmesini sağlamak için deneyleri tamamlamıştır. Bu tez 5 Bölüm halinde düzenlenmiştir ve bölümlerin her biri aşağıda açıklandığı gibi bir çalışma dizisini açıklamaktadır. Bölüm 1, açık kanal akışına kısa bir genel bakış ve ilgili literatürün kapsamlı bir incelemesini sunarak tezi tanıtmaktadır. Bölüm 2'de deney düzeneği ve sayısal model hakkında bilgi verilmektedir. Bölüm 3, hız, su derinliği ve Froude sayılarının deneysel ve sayısal sonuçlarını karşılaştırarak Newton tipi akışkanın (su) sonuçlarını sunmaktadır. Bölüm 4'te Newtonsal olmayan akışkanların deneysel ve sayısal analizleri sunulmaktadır. Bölüm 5'te tüm sonuçlar değerlendirilmektedir.. Tezin sonuçları birçok önemli değerlendirmeyi ortaya koymaktadır. Örneğin, artan kanal eğimi ve debi, engel etrafında artan akış ayrılmaları nedeniyle engellerin hız profilleri üzerindeki etkisini artırır. Engellerin yakınında, daha dik hız gradyanları akış düzenlerinin hızlandığını ve yavaşladığını gösterir, bu da yerel türbülansa ve girdaplara yol açar. Engeller arasındaki boşluğun varlığı, taban ve duvarlar boyunca kayma gerilimini artırarak tortu taşınmasını ve erozyon süreçlerini etkiler. 0? eğimde, engellerin üzerinden geçerken sıvı hızı yüksek kalır. 0?'den büyük eğimlerde, özellikle yüksek debilerde, yer çekiminin engel üzerindeki kontrolü, engelden sonraki hızların ve bazen engel önündeki hızların daha düşük olmasına neden olur. Kübik engel düzenlemeleri, engellerden önce büyük hız değişiklikleri üreterek kanal tabanındaki sınır tabakanın etkisini azaltır. Artan yerçekimi nedeniyle 0?'den büyük eğimlerde duvara yakın hızlar azalır. Newtonsal olmayan akışkanlar, suya kıyasla daha düşük hız ve derinlik anizotropisi gösterir; bunun nedeni, daha yüksek kayma gerilimi ve daha yumuşak hız değişimleridir. Engeller akışın hızlanmasına neden olur, bu da merkezi bölge hızlarının daha yüksek olmasına ve engellerin kenarlarına yakın yerlerde daha düşük hızlara neden olur. Newtonsal olmayan akışkanlarda derinlik değişimleri daha az belirgindir ve azalma eğilimindedir. Derinliği yüksek akış hızlarına daha duyarlıdır ve suya göre artan eğimle daha dik bir azalma gösterir. Bu kapsamlı analiz, açık kanallardaki sıvı akışının karmaşık dinamikleri hakkında, mühendislik ve çevre uygulamaları için önemli sonuçlar doğuracak değerli bilgiler sağlar.

This thesis explores the effects of different obstacles on Newtonian and non-Newtonian fluid flow dynamics within an open channel. The experiment involved placing obstacles, rectangular shapes, rectangular arches, cubes, cylindrical, and rectangular shapes in an open channel (4 m long, 0.3 m high, and 0.2 m wide). Flow rates ranging from 0.0035 m3/s to 0.0045 m3/s were tested across slopes of 0?, 1.0156? ve 1.406? The numerical approach complemented the experiments to ensure accurate determination of the input parameters and boundary conditions. This thesis is organized into 5 Chapters, with each of the chapters describing a sequence of study as described as follows. Chapter 1 introduces the thesis, providing a brief overview of open channel flow and a comprehensive review of the relevant literature. Chapter 2 gives information about the experimental setup and numerical model. Chapter 3 presents the results of Newtonian fluid (water), by comparing the experimental and numerical results of velocity, water depth and Froude numbers. Chapter 4 presents the experimental and numerical analysis of the non-Newtonian fluids. Chapter 5 concludes the results. The results of the thesis reveal several important conclusions. For example, increasing channel slopes and flow rates amplifies the effects of obstacles on velocity profiles due to increased flow separation and density around the obstacles. Near obstacles, steeper velocity gradients indicate acceleration and deceleration of flow patterns, leading to local turbulence and eddies. The presence of space between obstacles enhances shear stress along the channel bottom and walls, affecting sediment transport and erosion processes. At 0? slope, fluid velocity remains high over obstacles. With slopes greater than 0?, gravity's control over obstacle effects, especially at high flow rates, results in lower velocities after the obstacle, and sometimes lower than velocities before the obstacle. Cubic obstacle arrangements produce large velocity changes and higher fluid velocities prior the obstacles, reducing the effect of boundary layers at the channel bottom. Velocity changes in the sidewalls are affected by flow rates and obstacle arrangements due to vortex density and pressure gradients. Velocities near the wall decrease with slopes greater than 0? due to increased gravitational force. Non-Newtonian fluids show lower velocity and depth anisotropy compared to water, which is due to higher shear stress and smoother velocity changes. Obstacles induce acceleration of the flow, resulting in higher central region velocities and lower velocities near the edges of the obstructions. Depth variations in non-Newtonian fluids are less pronounced and tend to decrease. Its depth is more sensitive to high flow rates and shows a steeper decrease with increasing gradient compared to water. This comprehensive analysis provides valuable insights into the complex dynamics of fluid flow in open channels, with major implications for engineering and environmental applications.