Tek serbestlik dereceli dairesel silindirin girdap kaynaklı titreşimleri üzerinde serbest su yüzeyinin etkileri

Abstract

Dünyada son yıllarda artan enerji ihtiyacı ile insanlar yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiştir. Önceki yüzyıllarda kullanılan geleneksel enerji kaynaklarının sınırlı olması ve çevreye olan zararlı etkileri yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi hızlandırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak akla ilk olarak güneş ve rüzgar gelse de, son dönemlerde suyun gücünden de yararlanma hedefi artmıştır. Deniz ve okyanuslardaki enerji potansiyeli çok daha yüksek olsa da; nehirler, boğazlar veya kanallarda kısacası akan sulardan da hidrokinetik enerji üretmek mümkündür. Akış kaynaklı hareketler hidrokinetik enerji üretimi yöntemleri arasında son yıllarda önem kazanan bir disiplin olmuştur. Bu kıpırdanmayı başlatan en önemli buluşlardan biri akışkan kaynaklı hareketlerden enerji elde etmeye yarayan VIVACE (Girdap Kaynaklı Titreşimlerden Sucul Yeşil Enerji – İng. Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy) olarak adlandırılan bir mekanizmadır. Akış kaynaklı hareketlerin (İng. Flow Induced Motions, kısaca FIM) öne çıkan alt dallarından biri de girdap kaynaklı titreşimlerdir. Girdap kaynakları titreşimler, akış içerisindeki küt bir cismin iz bölgesinde oluşturduğu girdaplardan meydana gelmektedir. Bir akışkan küt bir cisme ulaştığında, cismin etrafında akım ayrılmasına uğramaktadır. Gerçekleşen bu akım ayrılması neticesinde; sürekli, periyodik ve çift yönlü olarak kopan bu girdaplar cisim üzerinde kuvvet oluştur ve cismi hareket ettirir. Söz konusu cismin doğal frekansı, kopan bu girdapların frekanslarına yakın veya eşitse kenetlenme (lock-in) gerçekleşir ve cisim azami düzeyde hareket etmeye başlar. Geçmişte bu durum Tacoma Asma Köprüsü'nde yaşanmış olup, gerçekleşen kontrolsüz hareket neticesinde köprü sulara gömülmüştür. Bu çalışmada, literatürde de yaygın olduğu üzere, tek serbestlik dereceli (sadece akışa dik olarak düşey yönde hareket edebilen) dairesel bir silindir ele alınmıştır. Silindir, serbest su yüzeyine paralel veya dik olarak yerleştirilebilir. Enerji elde etme bazlı çalışmalarda ise silindir yüzeye paralel olarak yerleştirilmektedir. Ancak serbest su yüzeyinin silindir hareketini engelleyici bir etkisi olduğu bilinmektedir. Bu tez çalışmasında serbest su yüzeyinin girdap kaynaklı titreşimler üzerine etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde Ata Nutku Gemi Model ve Deney Havuzunda bulunan Akış Kaynaklı Hareketler laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Deneyler diğer tüm parametreler sabit tutulmak üzere 6 farklı derinlik ve 3 farklı kütle oranı için yapılmıştır. Söz konusu deneylerdeki Reynolds sayısı 16,000 ile 71,000 arasında değişmektedir. Akışkanlar için çok önemli bir parametre olan Reynolds Sayısı; atalet kuvvetlerinin, viskoz kuvvetlere oranlanmasıyla elde edilmektedir. Yapılan deneyler sonucunda serbest su yüzeyinin girdap kopma frekansını değiştirdiği bulunmuştur. Silindir serbest su yüzeyine yaklaştıkça, senkronizasyon bölgesi daralmakta ve hareket genlikleri azalmaktadır. Senkronizasyon bölgesi, sistemin hareketlerinin gözlendiği aralığa denmektedir. Gerçekleşen en büyük genlik, serbest yüzeyinden en uzak ve en derin olan silindirde gözlenmiştir. Ayrıca üst bölge (upper branch) ve alt bölge (lower branch) serbet su yüzeyi etkilerinden çok fazla etkilenirken, başlangıç bölgesinin (initial branch) çok fazla etkilenmediği gözlenmiştir. Elde edilen frekanslar incelendiğindeyse, serbest su yüzeyine en yakın olan silindir frekansının en yüksek olduğu görülmüştür. Ancak bu durumda senkronizasyon aralığı daralmaktadır. Tüm deneylerde frekanslar, hıza göre neredeyse doğrusal olarak artmıştır. Yüksek salınım frekansı elde edilen enerjiyi artırır. Ancak diğer yandan silindirin salınım frekansı arttıkça doğal frekanstan uzaklaşılmakta; dolayısıyla hareket genliği düşmektedir. Hareketin genliği ve frekansı üretilen enerji açısından iki önemli parametredir. Cismin serbest su yüzeyine yakın olması frekansı artırmasına karşın genliği düşürdüğünden, elde edilen enerjinin azaldığı fark edilmiştir. Serbest su yüzeyi cismin hareketi için bir bariyer oluşturmaktadır. Bu sınır sebebiyle cisim üzerinden kopan girdap küçülmekte, boyutu küçülen girdap da cisim üzerindeki kuvveti azaltmaktadır. Azalan kuvvet cismin hareket genliğini düşürmektedir. Serbest su yüzeyine yakınlık, frekansı artırsa dahi, toplam üretilen enerji açısından bakıldığında olumsuz olarak değerlendirilmektedir.