Hidrolik Sıçramanın Havalandırma Verimliliğinin İncelenmesi

Abstract

Doğal havalandırma, havadaki oksijenin suya olan transferi olarak tanımlanmaktadır. Doğal havalandırmayı sağlayan üç tane hidrodinamik süreç vardır, bunlar: (1) hidrolik sıçrama, (2) su düşümü, (3) basamaklı kanallardan ilerleyen akım. Bu yapıların bir diğer ortak özelliği hidrolik yapılarda enerji kırıcı olarak kullanılmalarıdır. Bu noktadan hareketle, doğal havalandırma verimliliğiyle enerji kırılması arasında pozitif bir ilişkinin bulunması beklenmektedir. Doğal havalandırmayı sağlayan bu hidrodinamik süreçlerde, termodinamiğin 1. prensibine dayanılarak, kaybolan enerjiden büyük ölçekli çevrilerin sorumlu olduğu ve bu çevrilerin yaptığı işin suya oksijen transferini sağlayan mekanizma olduğu yaklaşımında bulunulmuştur. Bu hipotezi desteklemek için laboratuarda klasik hidrolik sıçramayla ilgili sistematik deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler, genişliği 0.5 m olan bir açık kanalda gerçekleştirilmiştir ve deneylerde arasında, ve arasında değerler almıştır. Havalandırma verimliliği 0.01-0.1 arasında değişim göstermiştir ve transfer olan oksijen miktarıyla, kırılan enerji miktarı arasında kuvvetli bir ilişki bulunmuştur. Deneysel verilerin analizi sonucu, hidrolik sıçramanın havalandırma verimliliğini yük kaybının ve birim genişlikten geçen debinin fonksiyonu olarak tahmin eden bir formül geliştirilmiştir. Havalandırma verimliliği yük kaybının ¾’cü, birim genişlikten geçen debinin ise ¼’cü kuvvetiyle ilişkilendirilmiştir. Olaydaki türbülans yapısının önemli rolü yapılan ölçümlerle ortaya konmuştur. Hidrolik sıçrama boyuncaki akım doğrultusundaki türbülans şiddeti eksponansiyel olarak azalan , türbülans kinetik enerjisi ise lineer olarak azalan bir fonksiyon sergilemiştir ve bu gidiş hidrolik sıçramadaki hava konsantarsyonu dağılımıyla uyuşmaktadır. Elde edilen deneysel bulgular, hidrolik sıçramdaki yük kaybının, ortamdaki türbülans kinetik enerjisini temsil ettiğini göstermektedir ve bu süreç yüzey yenilenme teoremini desteklemektedir. Sonuçta, hidrolik sıçramanın, arıtma tesislerinde etkin bir havalandırıcı ve karıştırıcı olarak kullanabilineceği ortaya konmuştur.

Self-aeration is defined as the transfer of oxygen from air towards water. There are three hydrodynamic processes that ensure reaeration, these are: (1) hydraulic jump, (2) water fall, and (3) flow over stepped channels. Other common characteristic of these processes are, they are also used as energy dissipaters. From this point of view, it is expected to find a positive correlation between the aeration efficiency and energy dissipation. Thus, it is suggested that energy consuming large-scale eddies are responsible for the suction of air into water, based on the Thermodynamics First Law. Hence, aeration efficiency should be directly proportional with the work done by these eddies and to support this hypothesis, systematic experiments have been carried out for classical hydraulic jumps. Experiments were conducted in a 0.5 m wide flume with upstream Froude and Reynolds numbers ranging from 2.3 to 6.4 and 1.4 to 5.4x104, respectively. Aeration efficiency got values between 0.01-0.1 and a strong correlation was found between the aeration efficiency and energy dissipation indicating the large-scale surface renewal eddies dominant role in the process. It was found that aeration efficiency is in proportion to the ¾ power of head loss and ¼ power of unit discharge. In addition, simultaneous measurement of turbulence quantities and dissolved oxygen were conducted. Turbulent characteristics exhibit decreasing exponential function through the hydraulic jump and this trend matches with the air concentration distribution. Moreover, the data reveals that head loss term represents the degree of turbulence kinetic energy related with the macro-scale vortices occurred in the roller length region and these findings are in agreement with the surface renewal theory. Consequently, experimental findings suggest that hydraulic jump can be used as a self-aerator and mixing device in water treatment plants.