Çatalan barajı dolusavak yapısının sayısal ve deneysel yöntemlerle incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında bir dolusavak üzerindeki akıma ait hız, derinlik ve basınç parametrelerini ölçmek için sırasıyla deneysel, matematiksel ve görüntü işleme çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla halen işletmede olan Çatalan baraj dolusavak yapısının 1/200 ölçekli modeli projesine birebir uygun olarak Froude benzerliğine göre oluşturulmuştur. Hidrolik laboratuvarında tasarım debisi (10 000 m3/s-Debi 1), tasarım debisinden büyük (12 000 m3/s-Debi 2) ve tasarım debisinden küçük (7 200 m3/s-Debi 3) olacak şekilde üç farklı debi için deneyler yapılmıştır. Yapılan deneylerde dolusavak modelinin başlangıç noktasından 0,36 m, 0,72 m, 1,53 m ve 2,01 m uzaklıkta dört yatay kesit ve her yatay kesitte beş düşey kesit alınmış ve toplamda yirmi noktada hız ve su derinliği ölçülmüştür. ANSYS Fluent programı kullanılarak dolusavak yapısının 3B matematik modeli oluşturulmuş ve VOF (Volume of Fluid) yöntemiyle hesaplamalar yapılmıştır. Sayısal model ile elde edilen hız, derinlik ve basınç parametreleri hesaplanmış ve deney ile ölçülen hız ve derinlik sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hız ölçümlerinde en yüksek ortalama hata yüzdeleri Debi 1 için %13,8, Debi 2 için %13,5 Debi 3 için %13,0 olarak bulunmuştur. Derinlik ölçümlerinde en yüksek ortalama hata yüzdeleri Debi 1 için %3,8, Debi 2 için %21 ve Debi 3 için %19,3 olarak hesaplanmıştır. Sayısal modelden elde edilen hız ve basınç değerleri ölçek oranında arttırılarak dolusavak prototipinde kavitasyon hasarını incelemek için kavitasyon indeksleri hesaplanmıştır. Debi1 ve Debi 2 için en düşük indeks değeri sırasıyla 0,35 ve 0,27 olarak hesaplanmıştır. Prototip dolusavak sayısal model ile tekrar çözülmüş ve en düşük kavitasyon indeks değeri 0,21 hesaplanmıştır. Ölçek etkilerini incelemek için prototip model sonuçları, ölçekli model sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Dolusavak eğiminin artmasıyla hidrolik parametre değerlerindeki değişimin ölçek etkisiyle oluşan hata yüzdesini arttırdığı gözlemlenmiştir. En yüksek ortalama hata, hız için %23,8 basınç için %36,4 olarak dördüncü en kesitte hesaplanmıştır. Son olarak görüntü işleme yöntemleri kullanılarak, deney sırasında çekilen video kayıtları üstünde hız ve derinlik ölçümleri yapabilen bir Python-OpenCV kodu geliştirilmiştir. Hız algoritmasıyla dolusavak için elde edilen yeni hız düzeltme katsayıları 1,03 ile 0,36 arasında değerler almıştır. Derinlik algoritmasıyla, dolusavak modeli boyunca on iki noktada yapılan derinlik ölçümleri, deney sonuçlarıyla karşılaştırıldığında ortalama hata yüzdesi %18,1 olarak elde edilmiştir. Çatalan Barajı, dolusavak yapısının üç debi için istenilen şekilde çalıştığı, deneysel ve sayısal modellerle gösterilmiştir. Tez kapsamında geliştirilen, 3B sayısal model ve görüntü işleme algoritması, gelecekte yapılacak dolusavak model deneylerinde araştırmacılar tarafından kullanılabilir.

In this thesis study, experimental, mathematical, and image processing studies were conducted to measure the velocity, depth, and pressure parameters of flow over a spillway. For this purpose, a 1/200 scale model of the Çatalan Dam spillway structure, which is currently in operation, was created according to Froude similarity. Experiments were carried out for three different discharges: design discharge (10,000 m³/s - Discharge 1), discharge greater than the design (12,000 m³/s - Discharge 2), and discharge smaller than the design (7,200 m³/s - Discharge 3) in the hydraulic laboratory. In these experiments, four horizontal sections at distances of 0.36 m, 0.72 m, 1.53 m, and 2.01 m from the starting point of the spillway model, as well as five vertical sections at each horizontal section, were taken, resulting in a total of twenty measurement points for velocity and water depth. A 3D mathematical model of the spillway structure was created using ANSYS-Fluent, and calculations were performed using the Volume of Fluid (VOF) method. The velocity, depth, and pressure parameters obtained from the numerical model were compared with the experimentally measured velocity and depth results. The highest average error percentages in velocity measurements were found to be 13.8% for Discharge 1, 13.5% for Discharge 2, and 13.0% for Discharge 3. In depth measurements, the highest average error percentages were calculated as 3.8% for Discharge 1, 21% for Discharge 2, and 19.3% for Discharge 3. To examine cavitation damage in the spillway prototype, cavitation indices were calculated by increasing the velocity and pressure values obtained from the numerical model according to the scale ratio. The lowest index values for Discharge 1 and Discharge 2 were 0.35 and 0.27, respectively. The prototype spillway was re-solved using the numerical model, and the lowest cavitation index value was calculated as 0.21. To investigate scale effects, the results of the prototype model were compared with those of the scaled model. It was observed that the increase in spillway slope led to an increase in the error percentage caused by scale effects in hydraulic parameter values. The highest average error was calculated as 23.8% for velocity and 36.4% for pressure at the fourth cross-section. Finally, using image processing methods, a Python OpenCV code that can measure speed and depth on video recordings taken during the experiment was developed. The new speed correction coefficients obtained for the spillway with the speed algorithm took values between 1.03 and 0.36. Depth measurements made at twelve points along the spillway model with the depth algorithm resulted in an average error percentage of 18.1 when compared with the experimental results. Çatalan Dam, the spillway structure was shown to work as desired for three discharges, with experimental and numerical models. The 3D numerical model and image processing algorithm developed within the scope of the thesis can be used by researchers in future spillway model experiments.