Basamaklı Dolusavaklarda Farklı Tip Basamak Tasarımlarının Enerji Sönümleme Performansına Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

ÖZET: Basamaklı dolusavaklar, boşaltım kanalı boyunca yerleştirilen basamaklar sayesinde suyun sahip olduğu enerjinin büyük bir kısmını sönümleyebilen yapılardır. Basamakların enerji sönümlemedeki etkisi sebebiyle uzun yıllardır kullanılan bu dolusavaklar, birçok akademik çalışmaya da konu olmuştur. Araştırmacılar, enerji sönümleme performansında daha iyi neticeler elde edebilmek amacıyla farklı basamak geometrileri önermeye devam etmektedirler. Bu çalışmada, HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemi ile çalışan OpenFOAM yazılımı kullanılarak, farklı tip basamak tasarımlarının basamaklı dolusavaklardaki enerji sönümleme performansına etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmanın doğrulaması, literatürde yer alan iki farklı açıya sahip klasik basamaklı dolusavak modellerine ait deneysel verilerle yapılmış, ardından üç farklı açı (8,9˚, 14,6˚, 26,6˚), altı farklı debide zigzag labirent geometriye sahip yeni basamak tipleri üzerinden sayısal modellerin analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda, debi arttıkça tüm modellerde enerji sönümleme oranının azaldığı, zigzag modellerde göz sayısı azaldıkça enerji sönümleme performansının arttığı ve düşük kanal açılarında genel olarak daha yüksek enerji sönümleme performansı elde edildiği gözlenmiştir. Özellikle 14,6° kanal açılı Model 7, maksimum debide %73,85 oranında enerji sönümleme ile öne çıkarken; 26,6° kanal açılı Model 1'in, klasik basamaklı dolusavak modeline göre %20 oranında daha iyi performans sergilediği tespit edilmiştir. 8,9° kanal açılı modellerde ise 26,6° Model 1 ile aynı basamak tipine sahip olan Model 11’in enerji sönümleme performansı açısından iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca hız profilleri incelendiğinde, önerilen modellerin dolusavak üzerinde akım hızını azaltmada oldukça etkili olduğu gözlenmiştir. Çalışma sonucunda; yeni geometrik tasarımların, basamaklı dolusavaklarda enerji sönümleme performansı açısından önemli faydalar sağlayabileceği düşünülmektedir.

ABSTRACT: Stepped spillways are hydraulic structures capable of dissipating a significant portion of the flow energy through steps arranged along the discharge channel. Due to their high energy dissipation capacity, these structures have been used for centuries and have become a frequent subject of academic research. In order to enhance energy dissipation performance, researchers continue to propose different step geometries and investigate their hydraulic efficiency. In this study, the effects of different step geometries on the energy dissipation performance of stepped spillways were investigated numerically using the OpenFOAM software based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Firstly, the numerical model was validated using experimental data from classical stepped spillway designs with two different slopes reported in the literature. Then, new step configurations with zigzag labyrinth geometries were analyzed under three different channel slopes (8.9˚, 14.6˚, 26.6˚) and six different flow rates. The results showed that as the discharge increased, the energy dissipation efficiency decreased for all models. It was also concluded that reducing the number of cycle enhanced the energy dissipation performance, and lower channel slopes generally provided higher energy dissipation. Notably, Model 7 with a 14.6° channel slope achieved the highest performance, dissipating 73.85% of the energy at maximum discharge. Model 1, with a 26.6° slope, performed approximately 20% better than the classical stepped spillway model. Among the models with an 8.9° slope, Model 11—which shares the same step geometry as Model 1—also showed promising results. Furthermore, velocity profile analyses demonstrated that the newly designed models were effective in reducing flow velocity on spillway. Ultimately, the study concluded that novel step geometries could offer significant improvements in energy dissipation performance for stepped spillways.