Experimental study on interaction of unsteady flow with bridge piers with different cross sections

Abstract

The problem of interaction between a vertical cylindrical structure (such as a bridge pier or pile) and a gradually varying unsteady flow is addressed in this study. In practice not only circular cylinders, but also various hydraulically streamlined cross-sections are used in bridge piers. The flow structure around these obstacles are significantly altered which leads changes in bed shear stress and amount/geometry of scour that takes place around the bridge pier. In this thesis, the flow-pile interactions under the unsteady flow are investigated, and as such, the similarities and differences in comparison to the case of steady flow are determined. The spatial variations of Reynolds averaged velocity and turbulence characteristics around the cylindrical structures are determined as a useful tool to help us understand how the flow patterns in the wake of the cylinders reacts with change in the cross-sections both in unsteady and steady flows. Although many studies in the literature have dealt with the flow around similar structures, most of these studies are limited to circular cross-sections. Furthermore, due to the complex nature of unsteady flows, there is a gap in the literature regarding studying the effects of local and convective acceleration in the case of gradually-varied unsteady flows. The current experimental study will concentrate on the flow alterations in the wake of cylindrical structures with different cross-sections in the presence of unsteady flow (i.e. during the passage of a hydrograph) in help to fulfil the aforementioned knowledge gap in the literature. Therefore, in this thesis, an experimental study was conducted comprising rigid bed experiments in a 30m long and 1m wide recirculating flume equipped with a variable discharge pump. Circular cylinders with 9 cm diameter (D=9 cm) are used, and elongated cylinders with aspect ratios of L/D=2, 3 and 4 are also investigated. To understand the influence of accelerating and decelerating flow conditions, three unsteady cases with different unsteadiness degrees were tested as well as a reference steady flow case. The spatial and temporal variations of Reynolds-averaged velocity and turbulence characteristics around the pile, as well as undisturbed flow, were analysed. Findings show that there are distinct differences between the tested gradually-varied unsteady flow cases and the reference steady flow case. Three-dimensional velocity measurements were conducted via an Acoustic Doppler velocimeter (ADV) at more than 200 locations for each of the test conditions. Moreover, water level and hydraulics slope values were recorded by use of resistant-type water level sensors. The data were analyzed to obtain spatial and temporal variation of Reynolds-averaged velocities and turbulence characteristics (fluctuating components, Reynolds stresses, turbulent kinetic energy) under steady and unsteady flow case in a comparative manner. Findings show that there are distinct differences between steady and unsteady flow conditions around bridge piers. Considering circular bridge piers, the wake turbulence was observed to get significantly higher during the rising stage of the hydrograph compared to the falling stage, whereas the turbulence due to lateral flow contraction exhibits an inverse behavior. The near bed flow around the bridge pier was seen to react the changing pressure gradient much quicker compared to the main flow region, where the reaction was much delayed, causing a longer recirculation region during the falling stage of the hydrograph. It is concluded that the flow structures foreseen for steady flow becomes noticeably altered in the case of unsteady flow, and these alterations are suggested to be considered in the engineering practices. The Reynolds-averaged velocity vs. Turbulence kinetic Energy plots of undisturbed flow indicated a hysteresis effect, such that larger turbulence is generated during the falling stage of the flow compared to the rising stage. This hysteresis was considerably reduced in the pile wake, and even reversed hysteresis was seen at certain cases. The spatial variation of Reynolds-averaged velocity and turbulence in the peak instant of unsteady flow was qualitatively similar to that of steady flow, but quantitatively, turbulence, flow contraction, and velocity deficit in the near-wake region were smaller in the case of unsteady flow. Contrarily, the unsteady flow generated remarkably higher turbulence levels at further downstream in the pile wake. It is concluded that in the case of unsteady flow the pile behaves as if it has a more streamlined shape. The results were also interpreted from structure-bed interactions perspective, explaining the differences between the pile scour induced by steady and unsteady flow conditions.

Silindirik yapılar etrafındaki akımlar, hidromekanik disiplininde belki de son 100 yılda en çok araştırılan ve çalışılan konulardan biri olmuştur. Özellikle açık deniz endüstrisinin gelişmeye başladığı 1960'lardan sonra konu ile ilgili bilimsel çalışmalar artmış, 1980'lerden bu yana çok önemli gelişmeler elde edilmiştir. Silindir tabana dik olarak yerleştirilirse (örneğin bir kazık veya köprü ayağı gibi), taban yakınlarında akım özellikleri üç boyutlu olarak değişecektir. Taban yakınında silindirin membaında akım ayrılacak ve silindirin hemen önündeki kabarmadan ötürü oluşan batma akımı (down flow) ve ters basınç gradyanı etkisiyle bu ayrılmış bölgede at nalı çevrisi (horseshoe vortex) adı verilen kuvvetli çevriler oluşacaktır. At nalı çevrisi gelişerek silindirin etrafından mansap bölgesine iletilmektedir. Silindirin yan tarafında büzüşen akım çizgileri (flow contraction) ile hız artmaktadır. Bir yandan da art çevrileri (lee-wake vortices) oluşmaya devam edecek ve mansap tarafında silindirden kopan çeviriler ile Von Karman çeviri caddesi oluşacaktır. Yakın zamanda yürütülen sayısal ve deneysel modelleme çalışmalarında, bu karmaşık akım yapıları daha iyi anlaşılmış ve çok daha net görselleştirilebilmiştir. Bu akım yapıları silindir etrafındaki oyulma mekanizmasından da sorumludur. Akımın permanan olmadığı durumlarda, silindirik yapının etrafındaki akımla etkileşimi permanan akıma göre farklı gelişmektedir. Literatürdeki bazı deneysel bulgulara göre hızlanmakta veya yavaşlamakta olan bir akım altında (permanan olmayan akımlarda) silindirin etrafında ikincil akımların oluşacağı belirlenmiştir. Bu ikincil akımlar özellikle salınımlı akım (oscillatory flow) durumu için çokça çalışılmıştır. Zira salınımlı akım durumu dalga etkisi altındaki silindirik bir yapı için önem arz etmektedir. Literatürde kazıkların etrafındaki akımla ilgili çalışmalar temel olarak üç tip akıma odaklanmıştır: 1) Permanan akım, 2) salınımlı akım (dalga altında akımlar), ve 3) bu ikisinin birleşimi. Silindirlerin tedrici değişken akımlar ile etkileşimlerini inceleyen çalışmalar permanan akım ve dalga durumuna nispetle daha enderdir. Bu çalışmaların önemli bir kısmı, depremler sırasında oluşan tsunami dalgaları ile ilgilidir. Tsunami dalgaları belli ölçülerde akarsu taşkın hidrografı tipinde tedrici değişken akımlara benzeseler de, önemli farklılıkları da bulunmaktadır. Bunların yanında silindirlerle etkileşimde olan gel-git akımları ve nehirlerde oluşan hidrograflar (tedrici değişen akımlar) özellikle hidrodinamik bakış açısından, önceki üç akış koşulu kadar fazla ilgi görmemiştir. Değişken akımlar incelenirken, permanan ve üniform akım kabulleri (her ne kadar pratik mühendislik uygulamalarında başvurulsa da) geçerli olmayacağı için klasik açık kanal akımı denklemleri de doğru sonuçlar verememektedir. Bu geçerli olmama durumu akarsudaki hidrolik parametrelere bağlı olarak gerçekleşen tüm fiziksel süreçleri (örneğin katı madde taşınımı, morfolojik değişimler, yapılar üzerindeki akım kuvvetleri ve türbülanslı dispersiyon, vb.) etkileyecektir. Literatürde kazık ve köprü ayağı gibi silindirik yapılar etrafında deniz ve akarsulardaki akımın incelendiği çalışmaların büyük bir çoğunluğu permanan akım koşulları altında gerçekleştirilmiş, permanan olmayan akımlar söz konusu olduğunda ise esas olarak ani değişken akımlar (özellikle salınımlı akım ve dalga etkisi) üzerinde durulmuştur. Bir akarsu hidrografının geçişi esnasında rastlanacağı türden tedrici değişken bir akım koşulunda akarsuya yerleştirilen bir köprü ayağı etrafındaki akımın, permanan akım koşulları ile karşılaştırmalı olarak incelendiği bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Bu doktora tez çalışması ile, tabana dik olarak yerleştirilmiş silindirik bir yapının (örneğin bir kazık veya köprü ayağı), bir hidrografın geçişi esnasındaki tedrici değişken akım ile etkileşimi problemi deneysel olarak incelenmiştir. Dairesel enkesitli köprü ayaklarının yanı sıra, enkesit şeklinin etkisinin daha iyi görebilmek için uzunluğunun genişliğine oranı sırasıyla L/D=2, 3 ve 4 olan uzatılmış dairesel (oblong) enkesitli köprü ayakları da incelenmiştir. Daha önce silindirik yapıların akım ile etkileşimi konusunda birçok çalışma yapılmış olmasına rağmen, literatürde daha ziyade dairesel kesitler üzerinde durulmakta; ayrıca yukarıda belirtildiği gibi tedrici değişken akım durumu ile ilgili ciddi bir bilgi boşluğu bulunmaktadır. Bu çalışma ile literatürdeki bu boşluğun bir nebze doldurulması amaçlanmaktadır. Detayları tez içerisinde açıklandığı üzere fiziksel modelleme yönteminin kullanıldığı bu çalışma kapsamında, ele alınan her bir enkesit tipindeki köprü ayağının etrafındaki akım yapısının nitelik ve niceliksel özellikleri, detaylı hız ölçümleri ile alansal ve zamansal olarak çalışılmıştır. Çalışma kapsamında İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Hidrolik Laboratuvarı'ndaki 30 m x 1 m x 1 m boyutlarındaki değişken akım kanalında bir deney düzeneği oluşturulmuş, bu düzenek ile bir permanan (kararlı) akım ve üç farklı hidrografın geçişi sırasındaki (tedrici değişken) köprü ayakları etrafındaki akım incelenmiştir. Ayrıca kanala köprü ayakları yerleştirilmeden önceki koşul (bozulmamış akım) ile de deneyler gerçekleştirilmiştir. Her bir deneyde yapılar etrafındaki akım hızı akustik Doppler hızölçer (ADV) yardımıyla 200'den fazla noktada üç boyutlu olarak ölçülmüş, ek olarak direnç tipi seviyeölçerler ile su seviyesi ve hidrolik eğim de kaydedilmiştir. Veriler analiz edilerek Reynolds ortalama akım hızları ve türbülans karakteristikleri (çalkantı bileşenleri, Reynolds gerilmeleri, türbülans kinetik enerjisi, enerji spektrumu) zamansal ve alansal olarak elde edilmiş, permanan akım ve değişken akım şartları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışmada elde edilen bulgular analiz edilerek, hem dairesel enkesitli köprü ayakları ile uzatılmış daire (oblong) enkesitli köprü ayakları karşılaştırmalı olarak incelenmiş, hem de üç adet farklı değişkenlik derecesine sahip hidrografın geçişi sırasındaki tedrici değişken akım koşulu ayrı ayrı ele alınarak köprü ayakları etrafındaki akım permanan (zamanla değişmeyen) akım koşulu ile mukayeseli biçimde araştırılmıştır. Diğer taraftan hareketli taban çalışılmamış, yapı etrafında akım kaynaklı oyulma ve birikme gibi "hareketli taban prosesleri" proje kapsamı dışında tutulmuş olsa da, çalışmadan elde edilen sonuçlar değişken akımlar altında köprü ayağı etrafında oluşacak oyulmanın permanan akım durumundaki oyulma ile karşılaştırılması açısından yorumlanmıştır. Bulgular incelendiğinde, köprü ayağı etrafında permanan ve değişken akım koşulları arasında çok belirgin farklar bulunduğu anlaşılmaktadır. Dairesel enkesitli köprü ayakları özelinde, art iz bölgesindeki türbülans hidrografın yükselme eğrisi esnasında çekilme eğrisine göre bariz biçimde artmakta, ancak köprü ayağının iki tarafında yanal akım büzülmesi dolayısı ile ortaya çıkan türbülans çekilme bölgesinde bir miktar daha yüksek gerçekleşmektedir. Taban yakınında köprü ayağı etrafındaki akım değişen basınç gradyanına çok daha çabuk tepki verirken akımın üst bölgelerinde daha geç tepki vermekte, bunun sonucu resirkülasyon bölgesi (akım hızının negatif olduğu bölge) çekilme eğrisi esnasında uzamaktadır. Elde edilen sonuçlar değişken akım koşulları altında kararlı akım için öngörülen akım yapılarının farklılaştığını işaret etmektedir. Mühendislik uygulamalarında bu farklılıkların göz önünde bulundurulması önerilmektedir.