THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL ANALYSIS OF STAGGERED GROINS

Abstract

Groins are built to preserve the flow state of the coasts by impeding the movement of solids along the coast. The seasonal variation of wave movements can cause the coasts to change. Analyzing the movement of the flow in interaction with the groins, built to protect the coasts, will make the measures to be taken in terms of protection of the coasts more effective. In this study, three-dimensional numerical modeling of the staggered groins, which have been studied experimentally in different flow conditions, is made. In numerical models, Navier Stokes and continuity equations that govern the motion of the flow have been solved using the finite volume method. In numerical modeling, Detached Eddy Simulation (DES) model was used to calculate turbulent viscosity and Volume of Fluid (VOF) method is used to determine water-air intersection. The numerical model results obtained by using the DES model, are compared with the experimental findings. As a result of the comparison, it is found that the numerical model results were quite compatible with the experimental findings. As a result, it has been determined that numerical modeling techniques are successful in solving flow problems that interact with staggered groin structures. They can be preferred because it offers repeatability under different flow and structure conditions.

Keywords

• Volume of Fluid Method
• Numerical Modeling
• Water Surface Profile
• Staggered Groins
• 3D Analysis

ŞAŞIRTMALI MAHMUZLARIN ÜÇ BOYUTLU SAYISAL ANALİZİ

Abstract

Mahmuzlar, kıyıda katı madde hareketini engelleyerek, kıyıların mevcut durumunu korumak üzere inşa edilirler. Dalga hareketlerinin mevsimsel farklılık göstermesi, kıyıların değişimine neden olabilmektedir. Kıyıları korumak adına inşa edilen mahmuzlarla etkileşim halinde olan akımın hareketinin analiz edilmesi, kıyıların korunması açısından alınacak önemleri daha etkili kılacaktır. Bu çalışmada, farklı akım durumlarında deneysel olarak incelenen şaşırtmalı mahmuzların üç boyutlu sayısal modellemesi yapılmıştır. Sayısal modellemelerde, akımın hareketini tanımlayan, Navier Stokes ve süreklilik denklemleri, sonlu hacimler yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Sayısal modellemelerde, türbülans viskozitesinin hesabında, Ayrılmış Girdap Simülasyon (Detached Eddy Simulation-DES) modeli ve su-hava arakesitinin belirlenmesinde ise akışkan hacimleri yöntemi kullanılmıştır. DES modeli kullanılarak elde edilen sayısal model sonuçları deneysel bulgularla karşılaştırılmış ve karşılaştırma sonucunda sayısal model sonuçlarının deneysel bulgularla oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, sayısal modelleme tekniklerinin şaşırtmalı mahmuz yapılarıyla etkileşimde bulunan akım problemlerinin çözümünde başarılı olduğu, farklı akım ve yapı koşullarında tekrar edilebilme imkânı sunmasından dolayı tercih edilebileceği belirlenmiştir.

Keywords

• Akışkan Hacimleri Yöntemi
• sayısal modelleme
• su yüzü profili
• şaşırtmalı mahmuz
• üç boyutlu analiz

References

1. Akoz, M. S., Gumus, V., Kirkgoz, M. S., 2014. Numerical Simulation of Flow over a Semicylinder Weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 140(6), 04014016.
2. Akoz, M. S., Kirkgoz, M. S., Oner, A. A., 2009. Experimental and numerical modeling of a sluice gate flow. Journal of Hydraulic Research, 47(2), 167-176.
3. Aköz, M. S., Öner, A. A., Kırkgöz, M. S., 2007. Tabana yakın bir silindir etrafındaki akımın farklı türbülans modelleri ile sayısal modellenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlik Fakültesi Dergisi, 22(2), 107-117.
4. Aköz, M. S., Soydan, N. G., Şimşek, O., 2016. Kritik Üstü Açik Kanal Akiminin Detached Eddy Ve Large Eddy Simülasyon İle Sayisal Modellenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 4(4), 213-224.
5. ANSYS, 2012. FLUENT Theory Guide. USA: ANSYS Inc.
6. Aydin, M. C., 2012. CFD Simulation of Free-Surface Flow over Triangular Labyrinth Side Weir. Advances in Engineering Software, 45(1), 159-166.
7. Badiei, P., Kamphuis, J. W., and Hamilton, D. G., 1995. Physical experiments on the effects of groins on shore morphology. In Coastal Engineering, 1782-1796.
8. Barceló, F. R., 2014. Effect of porosity on hydrodynamic performance of Porous Bonded Revetments–numerical modelling and application for shore protection at Valencia, Spain. Master Thesis, 123 sayfa.

9. Gu, Z., Ikeda, S., 2009. Experimental study of open channel flow with groins. In Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering, Berlin, Heidelberg, 1951-1956.
10. Gümüş, V., Şimşek, O., Soydan, N. G., Aköz, M. S., Kırkgöz, M. S., 2018. Akışkan Hacimleri Yöntemiyle Yapılan Sayısal Modellemelerde Yan Duvar Etkisinin İncelenmesi. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 3(3), 15-21.
11. Hanson, H., Kraus, N. C., 1990. Shoreline response to a single transmissive detached breakwater. In Coastal Engineering, 2034-2046.
12. Hirt, C. W., Nichols, B. D., 1981. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201-225.
13. İlkentapar, M., Öner, A., 2017. Geniş Başlıklı Savak Etrafındaki Akımın İncelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6 (2), 615-626.
14. Jesudhas, V., Roussinova, V., Balachandar, R., Barron, R., 2017. Submerged hydraulic jump study using DES. Journal of Hydraulic Engineering, 143(3), 04016091.
15. Jesudhas, V., Balachandar, R., Bolisetti, T., 2020. Numerical study of a symmetric submerged spatial hydraulic jump. Journal of Hydraulic Research, 58(2), 335-349.
16. Kirkgoz, M. S., Akoz, M. S., Oner, A. A., 2008. Experimental and Theoretical Analyses of Two-Dimensional Flows Upstream of Broad-Crested Weirs. Canadian Journal of Civil Engineering, 35(9), 975-986.
17. Kirkgoz, M. S., Akoz, M. S., Oner, A. A., 2009. Numerical Modeling of Flow over a Chute Spillway. Journal of Hydraulic Research, 47(6), 790-797.
18. Muslu, Y., 2001. Numerical Analysis for Lateral Weir Flow. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 127(4), 246-253.
19. Öner, A. A., 2009. Düzenli akıntı durumunda tabana oturan ve yarı gömülü eliptik bir silindir etrafındaki akımın sayısal incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 24(4), 575-582.
20. Özölçer, İ.H., 1998. Kıyı Korumasında Mahmuzların Etkilerinin Araştırılması. Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
21. Özölçer, İ.H., Kömürcü, M.İ., Birben, A.R., Yüksek, Ö. ve Karasu, S., 2006. Effects of T-Shape Groin Parameters on Beach Accretion. Ocean Engineering, 33, 382-403.
22. Rogallo, R. S., ve Moin, P., 1984. Numerical simulation of turbulent flows. Annual review of fluid mechanics, 16(1), 99-137.
23. Safie, O., Tominaga, A., 2020. Flow control by pile-group groynes used for riverbank instability management. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 511(1), 012002. IOP Publishing.
24. Şimşek, O., 2020a. Farklı Akım Koşullarına Sahip Açık Kanal Akımının Sayısal Modellemesi. Türk Doğa ve Fen Dergisi, 9(1), 91-100.
25. Şimşek, O., 2020b. Üstten Akişli Kapak Akiminin Sayisal Modellemesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 8(3), 808-819.
26. Simsek, O., Akoz, M. S., Soydan, N. G., 2016. Numerical Validation of Open Channel Flow over a Curvilinear Broad-Crested Weir. Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 16(6), 364-378.
27. Soydan Oksal, N. G., Akoz, M. S., Simsek, O., 2020. Numerical Modelling of Trapezoidal Weir Flow with RANS, LES and DES Models. Sadhana, 45(1), 91.
28. Soydan, N. G., Aköz, M. S., Şimşek, O., Gümüş, V., 2012. Trapez Kesitli Geniş Başlıklı Savak Akımının k-e Tabanlı Türbülans Modelleri ile Sayısal Modellenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27(2), 47-58.
29. Soydan, N. G., Şimşek, O., Aköz, M. S., 2017. Prediction and Validation of Turbulent Flow around a Cylindrical Weir. European Water, 57, 85-92.
30. Süme, V., 2014. Grain size and beach formation characteristic at the t-head groins system at Kıyıcık, Turkey (Eastern Black Sea). Journal of Civil and Environmental Engineering, 4 (4), 1-5.
31. Süme, V., Yüksek, Ö., 2018. Investigation of shoaling of coastal fishery structures in the Eastern Black Sea coasts. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 33(3), 843-852.
32. Süme, V., Yüksek, T., Kaya, A. 2019. Trabzon ve Rize kıyılarındaki T-mahmuzların plaj olarak kullanılabilirliği üzerine alan çalışması. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(4), 610-619.
33. Yılmaz, B., 2003. Development and Validation of Two-Dimensional Depth-Averaged Free Surface Flow Solver, 101 sayfa, Middle East Technical University, Ankara.