Liman içi dalga çalkantısında kullanılan nümerik modelleme mike 21 BW

Abstract

Harmonik dalga oluşumu gibi nonlineer dalga etkileşimleri, sapma ve dönme gibi fiziksel etkileri aynen korumak için limanlar içerisindeki dalga dağılımının doğru nümerik simulasyonunda nonlineer ve dispersif dalga işlemlerinin hesaba katılması gerekmektedir. Boussinesq denklemleri, değişken derinliklerde ve sığ su ortamında, tüm bu etkileri içeren matematiksel modellerin içinde en anlaşılır olanıdır. Boussinesq tipi matematiksel modellerin farklı çeşitleri vardır ve bunların hem problemde kullanılan fiziksel parametrelerinin sınırlanchrılmaları hem de uygun bir nümerik modelin parçası olarak uygulamadaki kolaylığı karşüaşünlmalan ve mukayese edilmeleri gerekmektedir. Bu çalışmada kullanılan nümerik simulasyon olan Boussinesq dalga modülünün, kullanılan metodlar ve yapılan çeşitli karşılaştumalarla oldukça yeterli olduğu gösterilmiştir. İki boyutlu genişletilmiş Boussinesq denklem sistemi, lineer bir üçgen sonlu eleman uzaysal diskretizasyonu uygulamasında, uygun biçimde yeniden uyarlanmıştır. Bu denklem sistemine program için gereken uygun başlangıç ve sınır koşullan detaylı olarak göz önüne alınmaktadır. Sayısal metodun performansı, deneysel verilerin karşdaştırılması ile test edilmiş ve liman projesi için modelin uygunluğu, gerçeğe uygun liman geometrisi ve dalga koşullarının simülasyonu ile araştırılmıştır. Fiziksel modellerle kullanılan nümerik modelin karşılaştrrması örnekler verilerek yapılmış ve sonuç olarak neredeyse birebirlik sağlanmıştır. Boussinesq dalga modülü, Boussinesq denklemlerinin üçüncü derece sonlu farklar yöntemi ile çözümü esasına dayanmaktadır. Model, küçük genlikli dalgalar üzerindeki sığlaşma, sapma, kırınım ve yapıların dalgalan sönümleme ve yansıtma etkilerini gözetebilmekte, dalgaların düzenli ve düzensiz kıyı alanlan ve limanlarda yaratacağı karmaşık çalkantının incelenmesinde kullanılabilmektedir. xn Çalışmada programı kullanma metodlan anlatılarak Marmara Kabul Limanı' nda uygulanmıştır. Liman için çalkantı modellemesine başlamadan önce kapsamlı rüzgar istatistiği çalışmaları, dalga tahmini ve derin denizden kıyıya doğru dalga değişiminin incelendiği dalga transformasyonu modeli çalışmaları yü^tülmüştür. Dalga transformasyon modeli çalışmaları MIKE 21' in diğer bir modülü olan MKE 21 NSW ile yapılmıştır. Limanı koruyucu dalgakıranların en uygun yerleşimleri yine modelde denenerek belirlenmiş, liman içi çalkantısının uluslararası kriterlerde tanımlanan düzeyi aşmaması için gerekli düzenlemeler araştırılrmştır. Yapı yerleşimlerinde alternatifler geliştirilerek, bunlar içinden en ekonomik olanı uygulama için önerilmiştir. Dalga transformasyonu çalışmaları sonucunda, Marmara Kabul Limanı çalkantı analizlerinde kullanılacak dalga özellikleri ile yapı tasarımında kullanılacak dizayn dalgası belirlenmiştir.

The accurate numerical simulation of wave disturbance within harbours requires consideration of both nonlinear and dispersive wave processes in order to capture such physical effects as wave refraction and diffraction, and nonlinear wave interactions such as the generation of harmonic waves. The Boussinesq equations are the simplest class of mathematical model that contain all these effects in a variable depth and shallow water environment. There is a variety of Boussinesq-type mathematical models and it is necessary to compare and contrast them both for their limitations with respect to the physical parameters of the problem and also for their ease of application as part of a suitable numerical model. It is decided here to consider a set of extended Boussinesq equations which provide an accurate model of the wave processes over a greater range of depths than the classical Boussinesq mathematical model. The two-dimensional extended Boussinesq equation system is rewritten in a form suitable for the application of a linear triangular finite element spatial discretisation. The formulation of appropriate initial and boundary conditions in combination with the application of the time integration software to this equation system is considered in detail. The performance of the numerical method is tested by comparison with experimental data and the suitability of the model for harbour design is investigated by simulation of a realistic harbour geometry and wave conditions. Comparison of numerical model which is used with physial models has been done by giving examples and therefore accurate and same results are obtained. The model is based xiv on the solution of Boussinesq equations using third order finite difference scheme. The model is capable of reproducing shoaling, refraction, diffraction and reflection of irregular, finite amplitude waves propagating over complex bathymetries. MIKE 21, software of Danish Hydraulic Institute has been studied in this thesis and applied to Marmara Receiption Harbour. The aim of the studies was to find the optimum layout of breakwaters in terms of both economy and safety. Extensive wind and wave climate, wave transformation and wave agitation studies are carried and evaluated to reach this aim. Wave transformation studies are carried out by MIKE 21 NSW, other module of MIKE 21. Optimum layout of breakwaters, protecting harbours, are also determined by experimenting in the model, also studied necessary corrections for agitation in harbour in order not to exceed the internationally indicated level. Alternatives on construction layouts are improved and the most economic one is suggested for application. As the result of wave transformation studies, wave characteristics which will be applied to agitation analysis of Marmara Receiption Harbour and the design wave which will be applied to construction design are determined.