Experimental and numerical investigation of bed load transport in unsteady flows

Abstract

Bu çalışmada zamana bağlı akımlarda sürüntü maddesi taşınmasını araştırmak için DEÜ Hidrolik Laboratuarında kapsamlı bir deney sistemi tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Zamanla değişmeyen kararlı akım şartlarındaki deneyler hem hareketsiz hem de hareketli taban üzerinde gerçekleştirilmiştir. Zamana bağlı olarak değişen kararsız akım deneyleri, yükselme ve alçalma süreleri 15 saniye ile 120 saniye, taban akış debisi 12.0 lt/sn ile 30.3 lt/sn ve pik debisi 53.5 lt/sn ile 89.9 lt/sn arasında değişen çeşitli hidrograflar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Taban malzemesi kanalın mansabında bulunan sepetlerle toplanmıştır. Taban malzemesi hareketi görüntü işleme tekniği ile analiz edilmiştir. Taban malzemesinin harekete geçişi ile ilgili kritik nokta teorik yaklaşımlar ile incelenmiş ve zamanla değişmeyen kararlı akım şartlarındaki deneylerle elde edilenler ile karşılaştırılmıştır. Zamanla değişmeyen ve zamanla değişen akım şartlarındaki deneylerle elde edilen taban malzemesi yükü, literatürde verilen ampirik denklemler ile karşılaştırılmıştır. Mevcut ampirik bağıntılardan en uygun olanları belirlenmiştir. Görüntü işleme tekniği ile yapılan analizde, tüm hidrograf boyunca ortalama dane hızı incelenmiştir. Kamera kayıtlarına göre, taban malzemesi hareketi kesikli ve dalgalıdır. Zamansal gecikme analizinde, video kayıtlarından elde edilen boyutsuz taban malzemesi yükü ile boyutsuz kayma gerilmesi karşılaştırılmıştır. Bu parametreler arasında bir histerisiz görülmemiştir. Kanal sonundaki sepetlerle ölçülen taban malzemesi yükü malzemesinden elde edilen boyutsuz taban malzemesi yükü ile elde edilen boyutsuz kayma gerilmesi karşılaştırıldığında ise bu parametreler arasında bir histerisiz olduğu görülmüştür. Akımın sürekliliği ve taban malzemesinin sürekliliği için verilen bir boyutlu kısmi diferansiyel denklemler ile momentum diferansiyel denklemi sayısal olarak çözülmüştür. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında kabul edilebilir bir uyum gözlenmiştir. An elaborate experimental system is designed and built in Hydraulics Laboratory of DEÜ, in order to study bed load transport in unsteady flows. The steady flow experiments are done with fixed and mobile bed. The unsteady flow experiments are conducted with the hydrographs having rising and falling durations of 15 seconds to 120 seconds, from the steady state value of 12.0 l/s and 30.3 l/s to the peak value of 53.5 l/s and 89.9 l/s. The bed load is collected at the channel downstream end. The sediment motion is analyzed by image processing technique. The critical point for inception of sediment motion is investigated for steady flow case. The bed load values measured in both steady and unsteady flow conditions are compared with those calculated from the empirical relations given in the relevant literature. The most compatible empirical relations are identified. In image processing analysis, the average grain velocity is investigated throughout the hydrograph. From the camera records, it is revealed that the bed load motion is sporadic, which results in fluctuating character. When the dimensionless bed load obtained from the video recordings and the dimensionless shear stress are used a hysteresis between these parameters is not observed. If the dimensionless bed load obtained from baskets and the dimensionless shear stress is compared, a hysteresis is observed. The one dimensional partial differential equations for the continuity of water and for sediment and the differential momentum equation are numerically solved. An acceptable accordance between experimental findings and numerical results is observed.