Türbülansın askıdaki katı maddenin çökelme hızına etkisinin deneysel olarak araştırılması

Abstract

Türbülanslı akımlarda düşey yönde akı nispeten küçük olsa da, gözlenen biyolojik ve kimyasal değişimlerin açıklanmasında büyük önem taşır. Yüzeysel akımlarda hem karışım hem de askıdaki katı madde modellenmek istendiğinde türbülansın hem karışıma, hem de askıdaki katı madde çökelme hızına etkisinin gerçekçi olarak tanımlanması gerekmektedir. Literatürdeki mevcut denklemler türbülanslı akımın özelliklerini ve etkisini hesaba katmadan parçacık çökelme hızını tahmine yöneliktir, o yüzden de eksik kalmıştır. Bu eksikliği gidermek üzere deneysel bir düzenek tasarlanmış, ve farklı dane boyutlu parçacıklar bir tanka bırakılarak parçacığın çökelme hareketi video ile kaydedilerek sonrasında görüntü işleme tekniği ile çökelme hızları belirlenmiştir. Deneyler esnasında belli derinliklerde 10 MHz akustik Doppler akım ölçer ile akım ölçümleri yapılmış ve akım verileri analiz edilerek akımın türbülans karakteristik bilgileri hesaplanmıştır. Parçacığın akım ölçer probunun yanından geçtiği anın 2 saniye öncesi ve sonrası türbülans karakterizasyonunda kullanılmıştır. Sonraki aşamada türbülans şiddeti, parçacık çökelme hızı ile ilişkilendirilmeye çalışılmıştır. İki farklı motor devir hızıyla yaratılan türbülanslı akım koşullarında dane boyutu 2?den küçük ve 2?den büyük olma durumuna göre çökelme hızının laminer akıma göre farklı davranış gösterdiği gözlenmiştir. Düşük motor devir hızıyla yaratılan türbülanslı akım, dane boyutu 2 mm?den küçük parçacıklara laminer akımda gözlenen çökelme hızlarını ortalama %49 arttırarak etki ederken, daha büyük parçacıklara arttırıcı etkisi olmadığı ve çökelme hızlarının laminer akımda gözlenen çökelme hızlarına benzer olduğu gözlenmiştir. Motor yüksek devir hızıyla çalıştırıldığında ise, dane boyutu 2 mm?den küçük parçacıklara çökelme hızının ortalama %36 arttırarak etki ettiği, ama daha büyük parçacıklarda çökelme hızını azaltıcı bir etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Deneysel çalışmalar, tek bir dane boyutu için farklı derinliklerde ve farklı türbülans koşullarında gözlenen çökelme hızları ve deneyler esnasında yapılan hız ölçümlerinden elde edilen türbülans kinetik enerjilerinde bazı mesafe ve dane boyutları için benzer oranlar olduğunu göstermiştir. Ancak türbülans kinetik enerjileri ve akım hızları arasında oransal bir ilişki olduğunu tüm ölçümlerde gözlemlemek mümkün olmadığından genel bir ilişki kurulamamıştır. Deneyler sonucunda elde edilen tüm sonuçlar toplu olarak değerlendirilerek çökelme hızları ve türbülans şiddeti arasında regresyon analizi aracılığıyla tabandan ölçülen farklı mesafelerde bir ilişki kurulmaya çalışılmıştır. Analiz sonucu regresyon belirleme katsayısı R2 değeri oldukça düşük de olsa, türbülans şiddetinin ivme ve dane boyutundan bağımsız olarak artışı ile çökelme hızı bu artış göstermiştir. Deneyleri takiben sayısal model ile parçacık çökelme hızının laminer akımda ve farklı türbülanslı akım koşullarında simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Fluent modelinde Lagrangian dağınık faz alt modeli uygulanmıştır. Laminer akım için deneysel ve sayısal modellerde benzer sonuçlar elde edilmiştir. Ancak türbülanslı akım koşullarında parçacık çökelme hızı modellendiğinde, deneylerde gözlenen çökelme hızındaki artışın modellenen çökelme hızı değerlerinde gözlenemediği görülmüştür. Bu gözlemler doğrultusunda Fluent modelinde parçacık çökelme hızının hesaplandığı förmüllerde kullanıcı tanımlı fonksiyon yazılarak, türbülans şiddetinin çökelme hızının hesabında kullanılması sağlanmıştır. Sonuç olarak bu yaklaşımla türbülanslı akım koşullarında daha gerçekçi hızlar hesaplandığı düşünülmektedir. Özellikle erozyon etkisiyle askıda katı madde miktarının fazla olduğu baraj göllerinde su alma yapısının askıdaki katı maddeyi dışarıda bırakacak şekilde yeniden tasarımında ve nehirlerde köprü ayakları için koruma yapılarının tasarımında kullanılan modelleme yaklaşımlarının akım türbülans karakteristiğini içerecek şekilde yeniden yapılandırılması daha iyi sonuçlar verecektir.