Dere ağzı hidrodinamiğinin 3 boyutlu modellenmesi: Karışım ve tabakalı akım durumları

Dere ıslahı çalışmalarının tasarım süreçlerinde, dere ağzı yakınlarında ve haliçlerde geleneksel metotların karakterize edemediği ve etkin sonuç vermediği durumlar yaşanabilir. Bunun sebebi olarak tek boyutlu ampirik denklemlerin tabakalı akımda veya karışım bölgesinde olayın fiziğini yansıtamaması gösterilebilir. Bir dere ağzı çıkışı yakınlarında tabakalı bir akım durumu olduğu varsayıldığında, akım üst bölgesinde tabakalanan tatlı su katı cidarla temas halinde olmayacak ve böylelikle taban pürüzlülüğü, kanal boyutlandırılması gibi hesaplamalarda etkinliğini yitirecektir. Bu durumda boyutlandırma için (kullanılan ama geçerliliği olmayan “n” yardımıyla) Manning denkleminden elde edilecek olan hidrolik yarıçap gerçekçi olmayacaktır. Etkin sonuçlar alınamadığı durumlarda ise gereğinden daha büyük boyutlandırmalar ya da yetersiz kalabilecek kesitler ortaya çıkabilmektedir. Bu durum taşkınlara ve dolayısıyla geri dönüşü olmayan mal ve can kayıplara yol açabilmektedir. Riva Deresi’nde meydana gelen taşkınlar bu duruma verilebilecek bir örnektir. Bu çalışmada söz konusu dere ağzındaki tatlı-tuzlu su karışım bölgeleri sayısal olarak modellenmiş ve bu modelde gerçeğe yakın kesit ve debiler kullanılmıştır. 3 farklı senaryoda karşılaştırmalı değerlendirme yapılarak kesit tasarımında problem yaratan durumlar belirlenmiştir. Uygulanan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modelinin sonuçları ortaya konularak modelin yeterlilikleri ve geliştirilmesine yönelik yorumlar da değerlendirilmiştir.

3D modeling of rivermouth hydrodynamics: Mix and stratified flow cases

The design stages in river restoration work may encounter situations such as mix or stratified flow regions, river mouths or estuaries where conventional methods can not characterize the flow or be effective. This is due to the fact that one dimentional empirical equations fail to represent the physics of this phenomenon. That is, for instance for a stratified flow near a river mouth, the fresh water flowing on the top layer (above the denser saline water) will not be in contact with the bed, as a result the bed roughness will no longer be effective in design calculations of channel cross-section. Consequently, the back calculations of channel sizing from the hydraulic radius in the Manning equation will not be realistic. In such ineffective cases the calculations may result in unnecessarily large or inadequate cross sections. This leads to irreversible losses. Riva River can be considered as an example to such river mouths. In this study, the saline-fresh water mix region near the mouth of the questioned river has been modelled using realistic cross sections and discharge values. The problematic approaches have been identified using 3 different benchmark scenarios. The comments regarding the detailes of the employed computational fluid dynamics model have been also presented.

Keywords:

River mouth, estuary, CFD mix, stratified flow,

PDF

___

[1] Kim, S.E. ve Boysan, F., Application of CFD to environmental flows, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 81, 145-158, (1999).
[2] Bombardelli, F.A., Cantero, M.I., Buscaglia, G.C. ve Garcia, M.H., Comparative study of convergence of CFD comercial codes when simulating dense underflows, In: Mecánica Computacional, G. Buscaglia, E. Dari ve O. Zamonsky (Eds.), 23, 1187 -1199, Bariloche, Argentina, (2004).
[3] Shteinman, B. ve Gutman, A., Flow turbulence and dispersion of different matter in the river mouth, Water Science and Technology, 27, (7-8), 397-404, (1993).
[4] Ofei, T.N. ve Ismail, A.Y., Eulerian-Eulerian simulation of particle-liquid slurry flow in horizontal pipe, Journal of Petroleum Engineering, dx.doi.org/10.1155/2016/5743471.
[5] Abdolkarimi, V. ve Ganji, H., CFD modeling of two immiscible fluids mixing in a commercial scale static mixer, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 31, 4, 949-957, (2014).
[6] Georgoulas, P.A., Angelidis, P.B., Panagiotidis, T.G. ve Kotsovinos, N.E., 3D numerical modelling of turbidity currents, Environmental Fluid Mechanics, 10, 603-635, (2010).
[7] Hetland, R.D., The effects of mixing and spreading on density in near-field river plumes, Dynamics of Atmospheres and Oceans, 49, 37-53, (2010).
[8] Giardino, A., Ibrahim, E., Adam, S., Toorman, E.A. ve Monbaliu, J., Hydrodynamics and cohesive sediment transport in the Ijzer Estuary, Belgium: Case study, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 135, 4, 176-184, (2009).
[9] Balakin, V.B., Hoffmann, A.C., Kosinski, P. ve Rhyne, L.D., Eulerian-Eulerian CFD model for the sedimentation of spherical particles in suspension with high particle concentrations, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 4, 1, 116-126, (2010).
[10] Socolofksy, S.A. ve Jirka, G.H., Environmentak fluid mechanics. Part I: Mass transfer and diffusion, Engineering Lectures, Universitat Karlsruhe, Germany, 2 nd Edition, (2002).
[11] ANSYS CFX Tutorials, Canonsburg, PA US, Release 12.1, (2009).
[12] ANSYS CFX-Pre User’s Guide, Canonsburg, PA US, Release 15, (2013).