FBE- Kıyı Bilimleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Özen, Barış" ile FBE- Kıyı Bilimleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeGöllerdeki Soğuk Su Yerçekimi Akımlarının Deneysel Olarak İncelenmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013-12-18) Özen, Barış ; Çokgör, Şevket ; 10021967 ; Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği ; Coastal EngineeringKış 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 (40.7)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.