Experimental and CFD analysis of air-water flow structure in a circular drop shaft

Düşülü bacalar, kanalizasyon ya da yağmur suyu gibi basınçsız akan borulu sistemlerde, hattın yönünü değiştirmek, düşü sağlamak ve enerji kırmak amacı ile kullanılan, genellikle dairesel kesitli imal edilen su yapılarıdır. Çalışma prensiplerinde akımın içinde oluşan hava miktarı önemlidir. Bu çalışma kapsamında, dairesel kesitli düşülü bacaların, farklı akım şartlarında havalanma özelliklerini araştırmak amacı ile fiziksel modelleme ve sayısal modelleme yapılarak, sonuçlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Fiziksel modellemeler, yapıların projelendirme zorluklarını aşmak, inşaat aşaması tamamlandıktan sonra geri dönüşü olmayan hataları önceden görerek hesap hatalarını gidermek için çok önemlidir. Ancak, fiziksel modellemelerde ihtiyaç duyulan; zaman, mekan, işçilik ve maliyet gibi parametrelerden herhangi biri eksik olursa fiziksel model yapmak mümkün olmayabilir. Bu durumda, yüksek performanslı bilgisayarların kullanılması ile hızlı sonuçlar veren, CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) kodlarının yazılması ile de hidrolik yapıların davranışlarını gerçeğe yakın modelleyen matematiksel modellemelere başvurulabilir. Bu çalışma kapsamında, deneysel çalışma ile test edilen akım şartları, matematiksel modellemeyle de incelenmiştir. Sayısal modelleme için, VOF (Akım Hacmi) metodu ve RANS (Reynolds ortalamalı Navier-Stokes) denklemleri ile çözüm yapan FLOW-3D programı kullanılmıştır. Laboratuvar ortamında oluşturulan fiziksel modelde akım şekilleri ve akımın havalanma miktarı incelenmiş, bunun için d0,12 m çapında gelen - giden akım boruları ve D0,358 m çapında düşülü baca kullanılmıştır. Fiziksel deney gözlemleri, gelen akım derinliğine bağlı olarak düşüm havuzunda, giden akım borusunda ve akımın çarptığı baca duvarında farklı akım rejimlerinin oluştuğunu göstermiştir. Deneysel çalışma aşamasında, çift uçlu fiber optik ölçüm cihazı kullanılarak, gelen-giden akımın arasına yerleştirilen dairesel düşü bacası içerisinde hava-su karışım oranları ölçülmüştür. Farklı akım şartları için, boşluk oranı yüzdesi, kabarcık sıklığı ve kabarcık boyutlarının ölçümü gerçekleştirilmiştir. Düşüm havuzunda yapılan ölçümlerden alınan sonuçlar, akımın havalanma mekanizmasının çok karmaşık bir yapıda olduğunu, akım rejimlerinin tespitinin oldukça zor olduğunu göstermiştir. Sayısal modellemede bütün test sonuçları Flow3D programında tekrar edilmiş olup CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) modelinin tutarlılığı incelenmiştir.Circular dropshafts, commonly used in urban storm water systems for energy dissipation and flow control, are characterized by significant flow aeration. This study is made mainly for the aeration properties of dropshafts. The investigation is executed both using experimental and numeric modeling in the study. Experimental modeling studies have been used to achieve designing hardness, however, the studies takes time and frequently may not be economical. With the use of high performance computers and more efficient computational fluid dynamics (CFD) codes, the behavior of hydraulic structures can be investigated numerically in reasonable time and expense. In the study, FLOW -3D, which uses VOF (Volume of Fluid) method and solves RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) equations, is used for numerical modeling. In order to verify numerical modeling results, physical experimental studies were set in the laboratory. In the laboratory, a series of experiments were performed in a circular dropshaft having two identical horizontal inflow and outflow circular channels having diameters of d0,12 m and a circular drop chamber having diameter of D0,358 m for observing flow patterns and measuring air bubble entrainment flow parameters. Experimental observations showed distinct flow regimes associated with nappe impact in the shaft pool, in the outflow channel, or in the opposite shaft wall. New detailed air-water flow measurements were conducted in a circular dropshaft with using double-tip fiber optical probe. Measurements of void fractions, bubble frequencies and bubble sizes were conducted for different flow conditions of the circular inflow channel. In the shaft pool, the results obtained from measurements demonstrated the complexity of different air entrainment mechanisms. In the numerical model, all experimental tests were repeated with Flow 3D and experimental measurements are compared with FLOW 3D in order to investigate the ability of the CFD modeling