Altıgen dizilimli silindir grubu etrafındaki akımın kararlı akım koşulları altında deneysel olarak incelenmesi

Köprüler, düşük maliyetli ve kullanışlı ulaşım ağları oluşturmaları bakımından uygarlık tarihi boyunca tercih edilmiş, önemli yapı elemanlarıdır. Köprü ayaklarının suyla direk etkileşim halinde oluşu, yapının hidrolik etkiler hesaba katılarak tasarlanmasını gerekli kılmaktadır. Akıma maruz kalan köprü ayağı, mevcudiyetiyle etrafındaki akım özelliklerinde önemli ölçüde değişimlere sebep olur. Bu değişimler köprü ayağı etrafında sediment taşınımını arttırarak oyulmalara yol açabilir ve bu da yapının stabilitesini ciddi oranda bozabilir. Köprülerin yıkılmasına sebebiyet veren en büyük etmenlerden bir tanesinin köprü ayakları etrafında meydana gelen oyulma olduğu düşünüldüğünde, oluşabilecek oyulmanın miktarını düşürecek önlemler almak ve bu doğrultuda bir tasarım yapmak mühendisler için büyük önem kazanmıştır. Bitkiler etrafındaki oyulmayı inceleyen önceki deneysel çalışmalar, bitkilerin davranışını poroz silindirlerle modelleyerek araştırmışlar ve porozitenin artmasıyla oyulmanın önemli ölçüde azaltılabileceğini ortaya koymuşlardır. Bu sonucun ışığında, köprü ayaklarının poroz olarak inşa edilmesinin oyulma miktarını azaltabileceği, üstelik akımı daha az bloke edeceğinden dolayı taşkın riskini önlemeye yardımcı olabileceği düşünülmüş ve bu konuda araştırmalar yapılmıştır. Yapısal perspektiften bakıldığında, enkesit alanı sabit tutulan yapının eksenel yüklere karşı düşey yönde taşıyıcılığının da sabit kalacağı bilgisinden hareketle fikrin yapısal olarak uygulanabilirliği görülmüş ve bu kapsamda yapılan birçok çalışmada, daha küçük çaplı silindirlerin belirli aralık ve dizilimlerle bir araya getirilmesiyle oluşmuş poroz yapılar üzerinden geçen akım ve etrafında oluşan oyulma mekanizması incelenmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar konuyla alakalı kaynak sağlamış ve bu kapsamda güçlü bir temel oluşturmuş olmakla beraber, konuya dair pek çok nokta halen belirsizliğini korumaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, yapı etrafındaki oyulmayı azaltmak üzere tasarlanabilecek potansiyel silindir grubunun arkasında oluşan akım alanının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunmaktır. Tez kapsamında, porozite ve yaklaşım açısının grup silindirlerin arkasındaki akım üzerindeki etkileri, hız ve türbülans değerleri üzerinden kıyaslanarak incelenmiştir. Bu bağlamda; 12, 16, 20 ve 24 cm dış çapa sahip, yedi adet 3.4 cm çapında küçük silindirden oluşan, altıgen dizilimli dairesel silindir grupları kullanılmış olup, kıyas için 12, 16 ve 20 cm çaplarında boşluksuz silindirlerden yararlanılmıştır. Tez kapsamında toplam 15 set deney yapılmış olup, bunların 12 tanesi altıgen dizilimli silindir gruplar, 3 tanesi ise boşluksuz silindirler kullanılarak yapılmıştır. Altıgen dizilimli dairesel silindir grubu (HACC) ile yapılan deneylerde modelin yaklaşan akım karşısındaki açısı ve blokaj oranınının model çevresindeki akım üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla üç farklı yönelim (Düzenli, çapraz ve açılı) denenmiş, sonuçlar kıyaslanmıştır. Deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarında bulunan akım kanalında, kararlı akım koşulları altında yürütülmüştür. Söz konusu akım kanalı 26 m uzunluğunda, 99 cm genişliğinde ve 85 cm yüksekliğinde olup, tabanı beton ve yan yüzeyleri pleksiglastır. Tüm deneyler boyunca bozulmamış akım hızı ve su yüksekliği sabit değerde (Sırası ile 0.25 m/s ve 3.10 cm) tutulmuş, dolayısıyla sabit debi ile çalışılmıştır (74.5 l/s). Gelen akımın altıgen dizilimli dairesel silindir grubu ve boşluksuz silindir arkasında oluşturduğu üç boyutlu hız profili, yüzey ve taban yakınında olmak üzere iki farklı yanal düzlem boyunca Vectrino Profiler (Vectrino II) hızölçer vasıtasıyla ölçülmüştür. Yüzey ölçümlerinde yüzeyden 7 cm aşağısına tekabül eden 23.1 cm taban mesafesinden veri alınırken, taban ölçümlerinde 7 cm taban mesafesinden hız verileri alınmıştır. Her deney, hata payını en aza indirebilmek adına önceden hazırlanmış olan deney formları kullanılarak ortalama 8 saat süreyle yürütülmüştür. Ölçüm noktaları her çevreleyen çap için en yüksek hız değerlerini yakalayabilmek adına ayrı ayrı, silindir arkasında en sık olacak şekilde belirlenmiştir. 12 cm, 16 cm, 20 cm ve 24 cm çevreleyen çaplar için sırasıyla 81, 85, 91 ve 95 ölçüm noktası belirlenmiştir. Ölçümler, düzenli ve çapraz yönelimdeki altıgen dizilimli silindir grupları ve boşluksuz silindirler için simetri ekseninin tek tarafında alınmış (simetrik yapılarına istinaden), yalnızca açılı yönelimdeki silindir gruplarında baştan sona ölçüm yapılmıştır. Silindir gruplarının ve tekil silindirlerin etrafında akıma ait Reynolds sayısı değerlerinin çapa bağlı olarak 30000 ila 60000 arasında değiştiği saptanmış olup, değerler boşluksuz silindir baz alınarak belirlenmiştir. Akıma ait noktasal, anlık hız değerlerinin zamansal ortalaması akım yönü, düşey ve yanal doğrultudaki bileşenler için sırasıyla u ̅,w ̅,v ̅ ile gösterilmiş olup, türbülans yoğunluğuna ait bileşenler yine akım yönü, düşey ve yanal doğrultular için sırasıyla u_rms, w_rms, v_rms ile simgelenmiştir. Değişkenleri boyutsuz hale getirmek için, tüm hız ve enerji bileşenleri bozulmamış akım hızı U_o ile normalize edilmiştir. Verilerden elde edilen hız ve türbülans değerlerine ait grafikler çevreleyen çapa (boşluksuz hacim oranına) ve yönelime (blokaj oranı ve akımın yaklaşım açısına) göre kıyaslanacak şekilde iki türde oluşturulmuş, sonuçlar yorumlanmıştır. Akım yönündeki zamansal ortalaması alınmış normalize edilmiş hızlar incelendiğinde, en yüksek boşluksuz hacim oranına sahip altıgen dizilimli silindir grubunun (12 cm HACC) her yönelim için, hem yüzey hem de taban ölçümlerine bakıldığında özdeş (aynı çevreleyen çaptaki) boşluksuz silindirle büyük ölçüde benzerlik gösterdiği saptanmıştır. Boşluksuz hacim oranı azaldıkça yönelim etkisinin daha çok gözlendiği ve farklı yönelimdeki aynı silindir gruplarının hız değerlerin birbirinden farklılaşma eğilimi gösterdiği görülmüştür. Ayrıca boşluksuz hacim oranı arttıkça akım yönünde daha yüksek negatif hızlar gözlenmiştir. Sonuçlara göre, genel olarak hız ve türbülans karakteristiklerinin artan porozite (azalan boşluksuz hacim oranı) ile dizilimler arasında farklılaşmaya sebep olduğu görülmüştür. En yüksek boşluksuz hacim oranına sahip silindir grubunun akım karşısındaki davranışının ise, incelenen hız ve türbülans değerleri açısından özdeş (aynı çevreleyen çaptaki) boşluksuz silindirle büyük ölçüde benzerlik gösterdiği saptanmıştır. Hemen hemen tüm bileşenlerin, yüzey ölçümlerinde daha yüksek değerler aldığı gözlenmiştir. Diğer yönelimlere kıyasla açılı (angled) yöneliminin (asimetrik geometrisinden ötürü) tüm hız ve enerji bileşenleri için daha karmaşık bir desen meydana getirdiği görülmüştür. Altıgen dizilimli silindir grubunu oluşturan tekil silindirler arasından geçen /sızan akım (bleed flow) hızının genişliğe göre ortalaması alınmış ve bozulmamış akım hızıyla normalize edilmiş değerleri kıyaslandığında, izdüşüm alanı en küçük olan yönelim, düzenli (regular), durumu için en yüksek değerleri aldığı tespit edilmiştir. Boşlukluluğun (porozitenin) artması ile, yönelimin sızan akım hızları üzerindeki etkisinin azaldığı gözlenmiştir. Özetle, bu çalışmadan elde edilen deneysel sonuçlar, farklı silindir gruplarının yönelim ve boşluksuz hacim oranlarının art izi bölgesinde oluşan akım üzerinde etkin bir rol oynadıklarını ve bu bölgedeki akımın yapısını büyük ölçüde belirlediklerini göstermiştir.