Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/8737
Title: Göllerdeki Soğuk Su Yerçekimi Akımlarının Deneysel Olarak İncelenmesi
Other Titles: Experimental Investigation Of Cold-water Gravity Currents In Lakes
Authors: Çokgör, Şevket
Özen, Barış
10021967
Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği
Coastal Engineering
Keywords: Göl Hidrodinamiği
Kış Soğuması
Yerçekimi Akımları
Lake Hydrodynamics
Winter Cooling
Gravity Currents
Issue Date: 18-Dec-2013
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Kış mevsimi boyunca, göl ve denizlerin yüzey tabakalarının sıcaklıkları atmosfere ısı kaybı nedeniyle düşer. Bunun sonucunda meydana gelen konvektif karışım, göl kenarlarındaki sığ sularda veya deniz yataklarını çevreleyen kıtasal sahanlıklarda bulunan su kütlesinin sıcaklığının açık sulara göre daha hızlı bir şekilde düşmesine yolaçar. Sıcaklıkta gözlenen hızlı düşüş yatay bir özgül kütle gradyanı oluşturur; bu gradyan ise, soğuk suyu taban boyunca sığ bölgelerden açık sulara doğru taşıyan bir yerçekimi akımının hareketini sağlar. Soğuk suyun taban boyunca ilerleyişi aşamasında gerçekleşen batimetri ile etkileşim bu suyun eğimli yanal yüzeyler boyunca aşağıya inmesiyle neticelenir. Bu iniş esnasında akım tarafından taşınan yoğun su hacmi, çevreleyen ortam suyunun girişimi neticesinde, artar. Akım eğimli taban üzerinde eşdeğer özgül kütleye sahip bir derinlik bulana kadar ilerler; bu derinliğe ulaştığındaysa çevreleyen ortam suyu içerisine girişim yapar ve ortama karışır. Bu çalışma, kış mevsiminde soğumaya bağlı olarak, göllerde meydana gelen yerçekimi akımlarının niceliklendirilmesi üzerine bir araştırmadır. Bu akımların yapı ve önemleri hakkındaki bilginin arttırılması amacıyla laboratuvar ortamında ve doğal şartlar altında ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamındaki laboratuvar çalışmaları 26 m uzunluğunda, 1 m eninde ve 1 m yüksekliğinde çok amaçlı bir kanalda tatlı ve durgun su kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kanal planda, kısa ve uzun bölümler olmak üzere, farklı uzunluklardaki iki bölüme ayrılmıştır. Kısa bölüm göl ve denizlerin sığ bölgelerini, uzun bölüm ise derin suları temsil etmek üzere hazırlanmıştır. Kısa bölümdeki su 6500 kcal/h kapasiteye sahip soğutucu bir ünite tarafından 5.50°C’ye kadar soğutulmuş, uzun bölümdeki su ise 15480 kcal/h kapasiteli U-şekilli ısıtıcılarla 27°C’ye kadar farklı sıcaklık değerlerine ısıtılmıştır. İki kısım arasındaki bu sıcaklık farkı yerçekimi akımlarının oluşumuna esas teşkil eden özgül kütle gradyanını sağlamak için kullanılmıştır. Laboratuvar kanalının tabanı, doğal ortama benzerliğin teşkil edilmesi amacıyla, dört farklı eğimde düzenlenmiştir. Bu düzenlemede ilk iki bölüm göl ve denizlerin sığ bölgelerine, üçüncü bölüm –yerçekimi akımlarının gözlenmesi amacıyla– eğimli taban yüzeyine ve dördüncü bölüm ise derin bölgelere karşı gelmektedir. Oluşturulan düzen neticesinde, ilk sığ bölümde soğutulan su, kısa ve uzun bölümleri ayıran paravanın kaldırılması neticesinde, ikinci sığ bölüm olup, karışım bölgesini temsil eden bölgeye alınmıştır. Burada, doğal ortama benzer şekilde, konvektif bir karışım süreci elde edilmiş ve sığ bölüm ile derin bölüm arasında oluşan özgül kütle gradyanı neticesinde, eğimli tabanı teşkil eden üçüncü bölgede tüm ölçümlerin gerçekleştirilmesi için gerekli koşullar sağlanmıştır. Ölçümler üç farklı deney seti olarak düzenlenmiştir. Deney ölçüm sistemleri olarak PT100 tipi sıcaklık algılayıcıları, akustik Doppler noktasal hız ölçer ve hidrojen kabarcığı üretici sistem kullanılmıştır. Ayrıca, deney süreçleri oluşturulan düzenek ve CCD tipi video kameralar ile kayıt altına alınmıştır. Elde edilen görüntüler görüntü işleme programları ile analiz edilerek, veri setleri diğer ölçüm sistemlerinden elde edilen veriler ile bütünleşmiş hale getirilmiştir. İlk deney setinin gerçekleştirilmesi sırasında, laboratuvar kanalında bulunan tatlı su potasyum permanganat çözeltisi ile renklendirilmiş ve, böylece, yerçekimi akımının kafası olarak tanımlanan yapının gelişimi ile pozisyonu ve arkasındaki gövde yapısının zaman ve eğimli taban üzerindeki pozisyonuna bağlı değişimi de CCD tipi video kamera sisteminde kayıt altına alınmış, elde edilen veriler ayrıca değerlendirilmiştir. Bu çalışma dahilindeki doğal koşullar altındaki ölçümler ise derin bir gölde gerçekleştirilmiştir. Eşzamanlı olarak gerçekleştirilen meteorolojik ölçümler, bu çalışma esnasında geliştirilen bir yöntem kullanılarak, su yüzeyindeki net ısı ve yüzdürme akılarının hesaplanabilmesini sağlamıştır. Yerleştirilen cihazların kayıtları, yerçekimi akımlarının ölçümlerin yapıldığı sahada mevcut olduğunu gösteren, toplamda yirmiyedi günün tespit edilmesine imkan tanımıştır. Bu günlerde göl yüzeyinden meydana gelen kuvvetli ısı kaybı 10-9 m2 s-3 mertebesindeki yüzdürme akılarına karşı gelmektedir. Sunumun netliği ve basitliği açısından bir seçim yapılarak, cihaz kayıtları doğrultusunda yerçekimi akımlarının varlığını gösteren günlerden, sadece onaltısına mevcut çalışmada atıf yapılmıştır. Bu günlerde gerçekleştirilen ölçümler, genel olarak çevreleyen sudan 0.10–0.30°C daha soğuk ve birçok atımdan meydana gelen, yerçekimi akımlarının inişlerini ortaya çıkartmıştır. Sıcaklık değerleri işlenmiş aşamalı vektör diyagramları eğim aşağı ve siklonik yönde genel bir taşınım olduğunu göstermiştir. Bu yöndeki hareket yerçekimi akımlarının Koriolis kuvveti tarafından etkilenmiş olabileceğini belirtse de, çoğu durumda, yerçekimi akımlarının palamar takımlarından geçişleri esnasında sıcaklık değerlerinde görülen değişimler ile akım hızının eğim aşağı bileşeni arasında yüksek oranda korelasyon tespit edilmiştir. Seçilen günlerde kaydedilen verilerden elde edilen, akım hızının eğim aşağı bileşeni ile özgül kütlenin düşey dağılımları laboratuvar ortamında elde edilenlere benzer bir değişim göstermiştir. Bu akımların, belirtilen düşey dağılımlardan Ellison ve Turner (1959, J. Fluid Mech., 6, 423-448) tarafından tanımlanan integral ölçekleri kullanılarak elde edilen, eğim aşağı ortalama hızları 1.10 ile 6.30 cm s-1 aralığında değerler almaktadır. Yerçekimi akımlarının ortalama yüksekliklerinin doğal koşullarda 3.70 m ile 26.30 m arasında, laboratuvarda ise 4.96 m to 7.70 cm olduğu ve, çevreleyen suyun özgül kütlesine göre bağıl olmak üzere, ortalama özgül kütle farkının 10-6 ile 10-5 mertebesinde olduğu bulunmuştur. Eğim aşağı hız bileşeninin zamanla değişimi gözönüne alındığında, düşey doğrultuda yaklaşık olarak benzer profilleri muhafaza ettiğini ortaya koyan benzeşim varsayımının, aynı akım içerisinde ölçülen ve ortalama değer kullanılarak boyutsuz hale getirilen hız değerleri için, geçerli olduğu tespit edilmiştir. Farklı akımların kayıtlarından elde edilen hız profilleri şekil parametreleri kullanılarak karşılaştırıldığında oldukça uygun bir benzerlik belirlenmiştir. Yine bu şekil parametreleri vasıtasıyla, eğim aşağı azami hız değerinin ortalama hız değerinden yaklaşık %50 daha büyük olduğu ve bu hız değerinin gözlemlendiği noktanın tabandan ortalama akım yüksekliğinin yaklaşık 1/5’i kadar mesafede bulunduğu sonuçlarına varılmıştır. Hız ve özgül kütle profillerinden iki farklı yöntem kullanılarak elde edilen kayma hızı değerlerinin, literatürde verilen değerlerin aralığında kaldığı belirlenmiştir. Logaritmik değişim kabulü yapılarak, hız profillerinden elde edilen ve 0.20 cm s-1 ile 1.50 cm s-1 arasında değişen kayma hızı değerlerinin ortalama eğim aşağı hız bileşeni ile orantılı olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen kayma hızı aralığı için hesaplanan taban kayma gerilmesinin eğim aşağı hızın ortalama ve azami değerlerine göre değişiminin, sırasıyla, doğrusal ve eksponansiyel olduğu belirlenmiştir. Tabandaki sürükleme katsayısının karşı gelen değerleri 0.03 ile 0.11 arasında ve ortalamada 0.05 olarak hesaplanmıştır. Bu değerler, literatürde verilen 10-1–10-3 aralığında kalmakla birlikte, Fer ve diğ. (2002, J. Geophys. Res., 107, 10.1029/2001JC000828) tarafından belirlenen (40.7)10-3 değeriyle de iyi bir şekilde örtüşmektedir. Büyük ve derin göllerin artan bir şekilde içme suyu haznesi ve arıtılmış atıksu için alıcı ortam olarak kullanılmaları, en uygun su kalitesi yönetiminin sağlanması bakımından, dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmadan sağlanan sonuçlar, derin göllerde kışsal soğuma süreciyle ilintili olarak meydana gelen yerçekimi akımlarının laboratuvar ortamında gözlemlenenlere benzer özellikler sergilediğini ortaya koymaktadır. Buna karşın ve özellikle türbülans ölçeğinde, göllerdeki tabakalaşmanın ortadan kalkmasında temel süreçlerden birini teşkil eden bu akımlar üzerinde ayrıntılı yeni çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır.
During winter period, temperature of the surface layers of lakes and oceans decreases due to heat loss to the atmosphere. Consequent convective mixing causes the temperature of the water column in shallow waters at the edges of lakes or on the continental shelves surrounding ocean basins to decrease more rapidly than in the open waters. This sets up a horizontal density gradient that, in turn, drives along the bottom a gravity current by which cold water is transferred from the shallow region towards open waters. The interaction with the bathymetry, at this stage, results in the descent of the cold water down the sloping side. During this descent, the volume of the dense water carried by the current increases due to the entrainment of ambient water. The current advances on the sloping bottom until a depth of equal density is reached, where it makes intrusions and mixes into the ambient water. The present study is a quantification of the winter cooling-related gravity currents that take place in lakes. Successive measurements were undertaken in the laboratory and in the nature in order to refine the understanding of their structure and of their importance. Measurements under natural conditions were carried out in a deep lake. Simultaneous meteorological measurements allowed estimates of the net heat flux into the lake through water surface and of the surface buoyancy flux to be made following a procedure developed in the course of the present study. Records of the deployed instruments allowed identification of a total of twenty-seven days –with strong heat loss from the lake surface to the atmosphere, corresponding to surface buoyancy fluxes of the order of 10-9 m2 s-3– on which gravity currents were present at the site where the measurements were undertaken. A selection was carried out for clarity and simplicity of presentation and, in the present study, reference is only made to sixteen days. The measurements on these days made evident the descent of gravity currents carrying water typically 0.10–0.30°C cooler than the ambient and which were composed of several pulses of cold water. Temperature-coded progressive vector diagrams revealed an overall transport in downslope and cyclonic direction, suggesting that the movement of the gravity currents was affected by the Coriolis force. However, temperature variations, observed during the passage of gravity currents through the deployed moorings, were found to be highly correlated with the variations in the downslope component of the velocity in majority of the cases. Vertical distributions of the downslope component of the velocity and density, obtained from the data recorded on the selected days, revealed a variation similar to those obtained under laboratory conditions. Mean downslope velocity of the gravity currents, estimated from these vertical distributions using the integral scales defined by Ellison and Turner (1959, J. Fluid Mech., 6, 423-448), were found to range between 1.10 and 6.30 cm s-1. Mean height of these currents was found to vary from about 3.70 m to 26.30 m for natural conditions and from 4.96 m to 7.70 cm in the laboratory and the mean density difference, relative to the density of the ambient water, was in the order of 10-6 to 10-5. The assumption of similarity, in which downslope velocity is considered to maintain approximately similar profiles in the vertical direction as it changes in time, was found to hold for velocity profiles measured within the same current, when these were non-dimensionalized by the mean downslope velocity. A fairly good similarity was also revealed between the velocity profiles obtained from records of different gravity currents when these were compared by using different shape parameters. Using these shape parameters it was also concluded that, on the average, the maximum downslope velocity was about 50% greater than the mean velocity and was at a distance from the bottom of about 1/5 of the mean current height. The friction velocity, estimated from the velocity and density profiles following two different methods, was found to be within the range of values given in the literature. Estimates of the friction velocity, obtained from the velocity profiles by assuming the validity of the Law of the Wall and ranging from 0.20 cm s-1 to 1.50 cm s-1, were found to scale well with the mean downslope velocity. Variation of the bed shear stress, calculated for this range, was determined to be linear and exponential with respect to the mean and maximum downslope velocities, respectively. Estimates of the related drag coefficient were found to range between 0.03 and 0.11 with a mean value of 0.05. These values were found to be within the range of 10-1–10-3 given in the literature and compared well with the value determined by Fer et al. (2002, J. Geophys. Res., 107, 10.1029/2001JC000828) as (40.7)10-3. The ever increasing use of large deep lakes as drinking water reservoirs and as receptors for treated sewage requires a better understanding of their dynamics to provide the optimum water quality management. The present results suggest that gravity currents associated with winter cooling process in a deep lake have characteristics similar to that observed in laboratory conditions. However, detailed investigations are still needed, especially in turbulence scale, on these currents which are thought to be a fundamental process contributing to the destratification of lakes.
Description: Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
URI: http://hdl.handle.net/11527/8737
Appears in Collections:Kıyı Bilimleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Files in This Item:
There are no files associated with this item.


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.