FBE- Kıyı Bilimleri Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/160
Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir. Programdaki dersler İngilizce olarak verilmekte olup, yüksek lisans ve doktora tez çalışmalarının tümüyle İngilizce olarak sunulması olanağı bulunmaktadır.

Gözat

Yazar "Çelik, Anıl" ile FBE- Kıyı Bilimleri Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Experimental physical modeling of hydrodynamics of a fixed owc with development of analytical and numerical models
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Çelik, Anıl ; Altunkaynak, Abdüsselam ; 10312240 ; Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği ; Coastal Sciences and Engineering
    Dünyanın ve insanlığın geleceği açısından yenilenebilir enerjinin konvansiyonel enerji kaynaklarının yerini alması elzemdir. Bu konunun değerlendirildiği uluslararası toplantılarda hedefler konmuş olmasına rağmen henüz kayda değer bir başarı elde edilememiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım oranının artması için tüm yenilenebilir enerji türlerinden istifade edilmelidir. Bir tür yenilenebilir enerji kaynağı olan dalga enerjisi insanlığın ilgisini çekmiş ve 1000'den fazla dalga enerji dönüştürücü patentleme işlemi yapılmıştır. Buna rağmen güneş ve rüzgâr enerji kaynaklarından çok daha fazla enerji yoğunluğuna sahip dalga enerjisinden hemen hemen hiç faydalanılamamaktadır. Dünya yüzeyinin yaklaşık üçte ikisinin sularla kaplı olduğu düşünüldüğünde bu şaşılacak bir durumdur. Henüz ticari üretime geçmiş bir dalga enerji dönüştürücünın bulunamaması üretilen elektrik enerjisinin maliyetlerinin hala çok yüksek olmasından ötürüdür. Bunun sebebi ise detaylı ve karmaşık dalga-yapı ve yapı içindeki iki farklı akışkanın etkileşimlerinin tam olarak anlaşılamamasından ötürüdür. Bu motivasyonla, dalga enerji dönüşüm süreçlerinin daha iyi anlaşılmasına katkı sağlamak için bu çalışmaya başlanmıştır. Bugüne kadar icat edilen dalga dönüştürücülerinden salınımlı su sütunu (SSS) tipi dalga enerjisi dönüştürücü işleyiş basitliği, stabil oluşu, kolay ulaşılabilirliği ve çevre dostu olması dolayısıyla bir adım öne çıkmıştır. Bu çalışma kapsamında da dikdörtgen kesitli sabit genel bir SSS seçilmiştir. Bu yapıların çalışma prensibi şu şekildedir: İçi boş, dört tarafı kapalı kısmi olarak suya batırılmış ve suyun altında kalan kısmında deniz suyuyla irtibatı sağlayan bir açıklık bulunan herhangi bir geometrideki yapı deniz tabanına veya herhangi bir yapıya sabitlenir. Bu yapının arka kısmında ise dar bir hava çıkış borusu bulunur. Yapıya gelen dalgaların dalga tepelerinin enerji dönüştürücü içerisindeki su seviyesini yükseltmesiyle yapı içindeki su seviyesinin üstünde hapsolmuş bulunan hava sıkışır ve basınç artar. Bu basınç farkı havayı çıkış borusundan hızla dışarı çıkmaya zorlar. Dalga çukurunun yapıyla teması noktasında bu sistemin tersi oluşur ve hava oluşacak vakum etkisiyle yapı içine çekilir (Bu işlemler dalgafrenksı ile belli bir faz açısında gerçekleşir). Çıkış borusu önüne konacak, çift taraflı hava akış durumunda dahi aynı yöne dönecek bir tribün ve onunda bağlı olduğu bir jeneratör yardımı ile dalga enerjisi hava enerjisine oda tribündeki dönme enerjisine oda nihayet elektrik enerjisine çevrilir. SSS yapısı içinde dalga etkisi altında salınımı yapan su sütünü, dalga enerjisinin kinetik enerjiye dönüşmüş halidir. Salınım yapan su sütunu daha sonra kendi enerjisini üzerinde hapsolmuş bulunan havaya aktarır ve böylece dalga enerjisi pnömatik enerjiye dönüştürülmüş olur. Bu bağlamda yapı içinde hareket eden su sütunu, dalga ile hava arasında enerji iletim görevini görür. Bu nedenle su sütunu salınım miktarları ve karakteristikleri önem arz etmektedir. Yapının maruz kaldığı dalgaların karakteristiklerinin salınımlar üzerindeki etkisi açıktır. Bu etkileri ve bu etkilerin yapının performansı üzerinde oluşturduğu değişimleri gözlemleyebilmek için dört ayrı düzenli dalga üretilmiştir. Ayrıca, detaylı literatür taraması sonucunda, aynı zamanda (türbin) su sütunu üzerinde yaptığı sönumleme düzeyinin ve yapının sualtı açıklık yüksekliğinin de çok önemli olduğu anlaşılmıştır. Bu çalışmada, enerji alma yapısı değişik çaplarda ki (değişik sönümleme düzeylerine karşı gelen) orifisler kullanılarak simüle edilmiştir. Yapı açıklık miktarı salınımlı su sütununa iletilen dalga enerji miktarını belirlemektedir. Sonuç olarak bu çalışmada yapı verimini etkileyen en önemli parametrelerin incelenmesi noktasında, kullanılan deneysel, nümerik ve analitik yöntemler, farklı orifis çapları ve su altı açıktıkları için farklı dalga parametreleri altında denemiştir. Beş farklı ofis çapı ve dokuz farklı yapı açıklık yüksekliği ve dört farklı düzenli dalga kullanılmıştır. Su sütunun salınım düzeyi elektriğe dönüştürülebilen dalga enerjisi miktarını direk etkilediği için, salınım miktarlarının bu çalışmada kullanılan parametrelerin değişimlerine vereceği tepkilerin tahmini önemlidir. Seçilen enerji alma yapısının su sütunu salınımı üzerine uyguladığı sönnümleme miktarına göre SSS yapısı aşırı sönümlenmiş veya az sönümlenmiş sistem olmak üzere ikiye ayrılır ve farklı dinamikler içerirler. En küçük orifis çapında (en yüksek sönümleme düzeyi), sistemin aşırı karakteristiğe sahip olduğu serbest düşüm testlerinde belirlenmiştir. Aşırı sönümlenmiş sistem için yapılan deneysel çalışmalarda, su sütunu salınım genliği ölçülmüş ve gelen dalga özelliklerinden bağımsız olarak salınım genliğinin maksimum olduğu bir kritik yapı su altı açıklık miktarı tespit edilmiştir. Açıklık yüksekliğinin daha da artmasının yapı içinde çalkantılara sebebiyet verdiği görülmüştür. Çalkantının ise yapı verimini olumsuz etkilediği bilinmektedir. Bu yüzden yapı su altı açıklığının kritik açıklık yüksekliğinden fazla olduğu durumlarda yapı içine transfer edilen fazla enerji miktarı zararlı enerji olarak adlandırılmıştır. Su salınımı genliğinin boyutsuz dalga frekansıyla üstel, boyutsuz dalga boyuyla ise lineer ilişki içinde olduğu görülmüştür. Salınım genliği ile açıklık ve dalga parametreleri arasında matematiksel bağlantı kurulmuş ve bu bağıntının deneysel verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu matematik ilişki kullanılarak salınım genlikleri yapı sualtı açıklık ve dalga parametrelerine göre bulunabilmektedir. Su sütunu yüzeyi profil davranışları, dalga parametreleri ve yapı sualtı açıklık yüksekliğine göre belirlenmiştir. Tek serbestili basit mekanik modelleme yaklaşımı kullanılarak daha genel bir matematik model geliştirilmiştir. Bu yaklaşım basit olmasına rağmen, su sütunu harektlerinin dinamik özelliklerini bünyesinde barındırabilmektedir. Bu yaklaşımşla modellenen su sütunu hareket denklemleri aynı zamanda SSS yapısının termodinamik denklemlerine bağlı olduklarından ötürü ancak beraber eşzamanlı olarak çözülmeleri gerekmektedir. Bu yüzden su sütunu hareketlerinin doğru modellenmesi önemlidir. Geliştirilen matematik modelin çözümlenebilmesi için tespiti gerekli olan toplam lineer eş sönümleme katsayısı lineer bir yaklaşımla, daha önce literatürde kullanılmamış olan serbest salınım deneysel testleriyle bulunmuştur. Dalga parametrelerinden bağımsız olarak belirli bir yapı sualtı açıklığının minimum sonümle katsayısına karşılık geldiği görülmüştür. Böylece su sütunu salınım genlikleri ve gelen dalgaya göre faz açıları hesaplanmış, sonuçlar deneysel verilerle doğrulanmıştır. Az sönümlenmiş sistemler için ise, ilk defa, serbest salınım metodu kullanılmak suretiyle SSS hidrodinamik parametreleri; toplam lineer eş sönümleme katsayısı, eklenmiş kütle, doğal ve rezonans frekans değerleri lineer bir yaklaşımla tahmin edilmeştir. Bu metot ayrıca üç boyutlu nümerik modelleme tekniği ile de simüle edilmiş ve deneysel çalışmalarla karşılaştırılarak doğruluğu tasdik edilmiştir. Böylece çok daha ucuza ve az bir zamanda, serbest salınım metodu, numerik çalışmalarla farklı geometrik ve hidrodinamik parametrelere sahip yapılar için, farklı zemin ve gelen dalga şartlarında uygulanabilecektir. Az sönümlü SSS yapılarında, sönümleme katsayısının orifis çapı arttıkça ve sualtı açıklığı miktarı düştükçe, azaldığı görülmüştür. Bulunan sönümleme katsayısı, ilk defa, suya daldırılmış olan yapı ön duvar altındaki sürtünme ve oluşabilecek çevrinti etkilerinide içinde barındırmaktadır. Bulunan hidrodinamik parametreler, geliştirilen tek serbestili basit mekanik modelde kullanılmış ve salınım zaman serileri hesaplanmıştır. Salınım zaman serileri deneysel olarak da ölçülmüş ve yapı yüzeyinde aşırı çalkantıların olduğu durumlar hariç mekanik model sonuçları ile çok uyumlu bulunmuştur. Su sütunu yüzey çalkantılarının yapının dalga geliş yönündeki genişliğinin dalga boyuna oranının bir fonksiyonu olduğu tespit edilmiştir. Bu oran küçüldükçe çalkantı miktarının arttığı tesbit edilmiştir. Su sütunu içinde oluşan ve yapının hidrodinamik verimliliği açısından istenmeyen bir hareket çeşidi olan çalkalanmanın, sönümleme miktarı arttıkça (orifis çapı arttıkça) ve su altı yapı açıklığı düştükçe, azaldığı görülmüştür. Daha önce literatürde, SSS yapılarının doğal frekansının hesaplanmasında farklı sistemler için geliştirilen anpirik formüller kullanılınırken, bu çalışmada elde edilen deneysel verilerle, ilk defa sadece salınımlı su sütünu doğal frekansı için yeni bir ampirik formül geliştirlmiştir. Eklenmiş kütlenin ise her koşulda belli bir aralıkta olduğu tesbit edilmiş ve literatürde bulunan daha önceki çalışmalarla uyumlu olduğu görülmüştür. Son olarak SSS yapısının enerji dönüşüm verimliliği nicel ve nitel olarak, bu çalışmada kullanılan farklı dalga parametreleri, yapının sualtı açıklığı ve değişik türbinlerin oluşturduğu sönümleme miktarları için deneysel ölçümlerle hesap edilmiştir. Farklı parametrelerin verim üzerindeki etkisi araştırılmış, optimum türbin sönümleme ve sualtı açıklık yüksekliği gelen dalga özelliklerine göre belirlenmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki, belli bir dalga eğimi aralığında, optimum tribün sönümleme düzeyi sadece dalga parametrelerine göre değil aynı zamanda yapının sualtı açıklığı yüksekliğine göre değişmektedir. Ayrıca, tahmin edildiği üzere çalkalanmanın enerji verimliliği üzerinde çok ciddi olumsuz etkileri olduğu nicel olarak da görülmüştür.