Klasik Dikdörtgen Büzülmeli Savakların Mansabında Oluşan Yerel Oyulmaların HAD Yöntemi Kullanılarak İncelenmesi

Öz

Hidrolik yapıların güvenliği sosyal, ekonomik ve çevresel öneme sahiptir. Yerel oyulmanın neden olduğu hasarları ortadan kaldırmak için ya oyulma tamamen önlenmeli ya da oyulma derinliği en aza indirilmelidir. Bu çalışmada, serbest düşülü klasik büzülmeli dikdörtgen savakların mansabında oluşan yerel oyulma sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal analizlerde Flow3D yazılımı ve k-ε türbülans modelleri kullanılmıştır. Maksimum oyulma derinliğini belirlemek için analizler üç birim debi (q=0.15, 0.30 ve 0.60 m3/s m) ve üç düşü yüksekliği (H=0.25, 0.50 ve 1.00 m) için gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, su jeti hızı ve çarpma açısı incelenmiştir. Tüm durumlar için denge oyulma derinliğinin yaklaşık %90’ına ilk 15–20 dakika içinde ulaşıldığı ve bunun önceki çalışmalarla uyumlu olduğu belirlenmiştir. Sonuçlara göre, birim debinin artmasıyla denge oyulma derinliği yaklaşık 0.16 m’den 0.23 m’ye yükselmektedir. Ancak, düşü yüksekliğinin belirli bir değerin üzerine çıkmasıyla, mansap havuzuna daha fazla hava kabarcığı girmesine bağlı olarak oyulma derinliği üzerindeki etkinin bir miktar azaldığı görülmüştür. Hesaplanan jet çarpma hızları yaklaşık 2.0 ile 4.9 m/s arasında değişmekte, çarpma açısı ise düşü yüksekliğinin artmasıyla birlikte yaklaşık 82°’ye kadar çıkmaktadır. Sayısal modelden elde edilen sonuçların genel olarak deneysel çalışmalarla uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışma, serbest düşülü koşullarda yüksek düşülü savakların mansabında oluşan yerel oyulmanın üç boyutlu HAD tabanlı değerlendirmesini sunması ve uzun dönem denge oyulma derinliği ile jet çarpma karakteristiklerinin pratik olarak tahmin edilmesine yönelik bir yaklaşım önermesi bakımından özgün niteliktedir.

Anahtar Kelimeler

• Yerel oyulma
• Oyulma süreci
• Serbest düşülü savaklar
• Baraj güvenliği
• Havza morfolojisi
• Flow3D®
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)

Investigation of Local Scour at Classical Contracted Rectangular Weir Downstream using CFD

Öz

The safety of hydraulic structures has social, economic, and environmental significance. To eliminate the damage induced by local scouring, either the scouring should be prevented entirely or the scouring depth should be minimized. This study numerically investigated the local scour that develops in the plunge pool downstream of high-head, classical contracted rectangular weirs operating under free overfall conditions. In the numerical analysis, a three-dimensional Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) model with a standard k–ε turbulence closure was implemented in Flow-3D®. The analyses were conducted for three unit flow rates (q=0.15, 0.30, and 0.60 m3/s m) and three drop heights (H=0.25, 0.50, and 1.00 m) to determine the maximum scouring depth. Furthermore, the water jet velocity and impingement angle were analyzed. The experimental results were utilized to test the accuracy of the numerical model. For all cases, about 90 % of the equilibrium scour depth was reached within the first 15–20 min, consistent with previous studies. According to the results, the equilibrium scour depth increased from approximately 0.16 m to 0.23 m when the unit discharge was raised. However, after a specific value of the head height, the effect on the depth of scouring is slightly reduced due to the increased air entrainment entering the downstream pool. Computed jet impact velocities ranged from about 2.0 to 4.9 m/s, with impact angles increasing up to ~82° as the drop height increased. The results of the numerical model are generally compatible with experimental studies. This study is original in that it provides a three-dimensional CFD-based assessment of local scour downstream of high-head weirs under free overfall conditions and proposes a practical approach to estimate long-term equilibrium scour depth and jet impact characteristics.

Anahtar Kelimeler

• Local scour
• Scour process
• Free overfall
• Dam safety
• Basin morphology
• Flow3D®
• CFD.

Kaynakça

1. O. R. Stein and P. Y. Julien, “Sediment concentration below free overfall,” J. Hydraul. Eng., vol. 120, no. 9, pp. 1043–1059, 1994.
2. M. Ghodsian, B. Melville and D. Tajkarimi, “Local scour due to free overfall jet,” Proc. Inst. Civ. Eng. Water Manag., vol. 159, no. 4, pp. 253–260, 2006.
3. S. Dey and R. V. Raikar, “Scour below a high vertical drop,” J. Hydraul. Eng., vol. 133, no. 5, pp. 564–568, 2007.
4. M. Ghodsian, M. Mehraein and H. R. Ranjbar, “Local scour due to free fall jets in non-uniform sediment,” Sci. Iran., vol. 19, pp. 1437–1444, 2012.
5. N. R. B. Olsen and M. C. Melaaen, “Three-dimensional calculation of scour around cylinders,” J. Hydraul. Eng., vol. 119, no. 9, pp. 1048–1054, 1993.
6. B. Lin and R. A. Falconer, “Numerical modelling of three-dimensional suspended sediment for estuarine and coastal waters,” J. Hydraul. Res., vol. 34, no. 4, pp. 435–456, 1996.
7. J. E. Richardson and V. G. Panchang, “Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers,” J. Hydraul. Eng., vol. 124, no. 5, pp. 530–540, 1998.
8. W. Wu, W. Rodi and T. Wenka, “3D numerical modeling of flow and sediment transport in open channels,” J. Hydraul. Eng., vol. 126, no. 1, pp. 4–15, 2000.

9. B. Y. Jia, T. Kitamura and S. S. Y. Wang, “Simulation of scour process in plunging pool of loose bed-material,” J. Hydraul. Eng., vol. 127, no. 3, pp. 219–229, 2001.
10. X. Liu and M. H. García, “Three-dimensional numerical model with free water surface and mesh deformation for local sediment scour,” J. Waterw. Port Coastal Ocean Eng., vol. 134, no. 4, pp. 203–217, 2008.
11. J. A. Vasquez and B. W. Walsh, “CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow,” in Proc. 33rd IAHR Congr., Int. Assoc. Hydraul. Eng. Res., 2009.
12. S. Abbasi, A. Kamanbedast and J. Ahadian, “Numerical investigation of angle and geometric of L-shape groin on the flow and erosion regime at river bends,” World Appl. Sci. J., vol. 15, no. 2, pp. 279–284, 2011.
13. L. G. Castillo and J. M. Carrillo, “Scour estimation of the Paute-Cardenillo Dam,” in Proc. Int. Perspect. Water Resour. Environ., Quito, Ecuador, 2014, pp. 8–10.
14. G. Epely-Chauvin, G. De Cesare and S. Schwindt, “Numerical modelling of plunge pool scour evolution in non-cohesive sediments,” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech., vol. 8, no. 4, pp. 477–487, 2014.
15. M. C. Aydin and E. Isik, “Using CFD in hydraulic structures,” Int. J. Sci. Technol. Res., vol. 1, no. 5, pp. 7–13, 2015.
16. A. L. J. Pang, M. Skote, S. Y. Lim, J. Gullman-Strand and N. Morgan, “A numerical approach for determining equilibrium scour depth around a mono-pile due to steady currents,” Appl. Ocean Res., vol. 57, pp. 114–124, 2016.
17. H. Pourshahbaz, S. Abbasi and P. Taghvaei, “Numerical scour modeling around parallel spur dikes in FLOW-3D,” 2017.
18. C. Man et al., “Assessment of turbulence models on bridge-pier scour using Flow-3D,” World J. Eng. Technol., vol. 2, no. 2, pp. 241–255, 2019.
19. M. C. Aydin, M. E. Emiroglu, A. E. Ulu and E. Ikinciogullari, “Investigation of local scours under vertical drop using CFD,” Düzce Univ. J. Sci. Technol., vol. 10, no. 1, pp. 239–248, 2019.
20. E. Ikinciogullari, M. E. Emiroglu and M. C. Aydin, “Comparison of scour properties of classical and trapezoidal labyrinth weirs,” Arab. J. Sci. Eng., vol. 47, pp. 4023–4040, 2022.
21. L. Kumar and M. S. Afzal, “Computational fluid dynamics modeling of scour around abutment geometries under combined effects of waves and currents,” Ocean Eng., vol. 294, p. 116812, 2024.
22. X. Wang, W. Li, Z. Peng, Q. Yu, Y. Yang and J. Li, “Optimization of combined scour protection for bridge piers using computational fluid dynamics,” Water, vol. 17, p. 2742, 2025.
23. M. C. Aydın and Ç. Karaduman, “Kapak altı batmış akım mansabında meydana gelen oyulmaların sayısal simülasyonu,” Pamukkale Univ. J. Eng. Sci., vol. 24, no. 3, pp. 439–443, 2018.
24. S. Dey and A. Sarkar, “Characteristics of submerged jets in evolving scour hole downstream of an apron,” J. Eng. Mech., vol. 134, no. 11, pp. 927–936, 2008.
25. X. Yan, A. Mohammadian and C. D. Rennie, “Numerical modeling of local scour due to submerged wall jets using a strict vertex-based, terrain conformal, moving-mesh technique in OpenFOAM,” Int. J. Sediment Res., vol. 35, pp. 237–248, 2020.
26. B. D. Adhikary, A. P. Majumdar and M. Kostic, “CFD simulation of open channel flooding flows and scouring around bridge structures,” in Proc. 6th WSEAS Int. Conf. Fluid Mech., 2009.
27. M. Zhao, L. Cheng and Z. Zang, “Experimental and numerical investigation of local scour around a submerged vertical circular cylinder in steady currents,” Coast. Eng., vol. 57, pp. 709–721, 2010.
28. Z. W. Zhu and Z. Q. Liu, “CFD prediction of local scour hole around bridge piers,” J. Cent. South Univ. Technol., vol. 19, pp. 273–281, 2012.
29. W. Xiong, P. Tang, B. Kong and C. S. Cai, “Computational simulation of live-bed bridge scour considering suspended sediment loads,” J. Comput. Civ. Eng., vol. 31, p. 04017040, 2017.
30. TÜBİTAK, 115M478 – Serbest düşülü savakların mansabında oluşan yerel oyulmanın deneysel ve sayısal araştırılması, Project Report, 2019.
31. R. L. Soulsby and R. J. S. Whitehouse, “Threshold of sediment motion in coastal environments,” in Proc. Pacific Coasts Ports ’97, 1997.
32. D. R. Mastbergen and J. H. Van den Berg, “Breaching in fine sands and the generation of sustained turbidity currents in submarine canyons,” Sedimentology, vol. 50, pp. 625–637, 2003.
33. E. Meyer-Peter and R. Müller, “Formulas for bed-load transport,” in Proc. 2nd Meet. Int. Assoc. Hydraul. Struct. Res., Stockholm, 1948.
34. Flow Science, Sediment Scour Model, FLOW-3D User Manual, Version 11.0.3. Santa Fe, NM, USA: Flow Science, Inc., 2014.
35. F. Fan, B. Liang, Y. Bai, Z. Zhu and Y. Zhu, “Numerical modeling of local scour around hydraulic structure in sandy beds by dynamic mesh method,” J. Ocean Univ. China, vol. 16, pp. 738–746, 2017.
36. S. Liu, Y. Yang and X. Wu, “Simulations of local scour around a cylindrical bridge pier and a semicircular abutment using unsteady k–ε model combined with σ-grid,” Open Civ. Eng. J., vol. 11, pp. 598–614, 2017.
37. A. Baylar and M. E. Emiroglu, “The role of weir types in entrainment of air bubbles,” Int. J. Sci. Technol., vol. 2, no. 2, pp. 143–154, 2007.
38. A. Veronese, Erosion de fond en aval d’une décharge. Soc. Coop. Tipogr., 1937.
39. M. W. Chian, “Scour at downstream end of dams in Taiwan,” in Proc. IAHR Int. Symp. River Mech., Bangkok, 1973.
40. E. Ikinciogullari, “Serbest düşülü savakların mansabında oluşan yerel oyulmanın sayısal analizi,” Ph.D. dissertation, Inst. Sci., Fırat Univ., Elazığ, Turkey, 2019.