HYDRODYNAMICS AND HYDRAULIC PERFORMANCES OF FISH-FRIENDLY FINE SCREENS AT WATER INTAKES OF HYDROPOWER PLANTS
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2025
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: CUMHUR ÖZBEY
Danışman: Serhat Küçükali
Özet:Hidroelektrik, toplam elektrik üretiminin %16'sı ile dünya çapında bir numaralı yenilenebilir elektrik enerjisi kaynağıdır ve yakın gelecekte de öyle kalacaktır. Bununla birlikte, hidroelektrik santrallerin (HES) son on yılda yaygın bir şekilde uygulanmaya başlanması, doğal nehir ekosistemlerinin bozulmasına yol açmış olup, bu habitatlarda yaşayan sucul türlerin olumsuz bir şekilde etkilenmesine sebep olmaktadır. Özellikle nehir tipi HES'ler, aşağı göç amacıyla akım yönünde hareket eden balıklar için bir ciddi tehdit oluşturmaktadır. Bu bağlamda, türbin geçişleri sırasında yaşanan yaralanma ve ölümler, dünya genelinde balık popülasyonlarında ciddi bir azalmaya neden olmaktadır. Bununla birlikte, HES'lerde ve diğer su alma yapılarında, mansap tarafına doğru hareket eden balıkları korumaya ve yönlendirmeye yönelik önlemler geçmiş yıllar boyunca ihmal edilmiştir. Bu nedenle, balık dostu yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi ve böylelikle nehir sistemlerinde aşağı göç esnasında yaşanan balık ölümleri sebebiyle azalan balık popülasyonlarının geri kazanılması ve ekolojik sürekliliğin sağlanması acil bir konu olarak ele alınmalıdır. Aşağı yönde hareket eden balıkların korunması, balıkları hidroelektrik santralin çevresinden dolanmasını sağlayacak şekilde yönlendiren ızgara-bypass yapılarının tasarlanmasını ve uygulanmasını gerektirir. Ancak balıkların aşağı göçünü güvenli bir şekilde sağlamak amacıyla tasarlanan ve fiziksel bariyer görevi gören dar açıklığa sahip (ince) ızgaraların sebep olduğu hidrolik yük kayıpları ve ızgara sonrası oluşan asimetrik akım alanları günümüzde hala ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Bu sebeple, bu çalışmanın temel amacı, özellikle nehir tipi HES'lerde ve su alma yapılarında hidroelektrik üretimi ve işletimi üzerinde ortaya çıkabilecek başta enerji kayıpları olmak üzere benzeri olumsuz etkileri minimize ederek, ana akım yönünde hareket eden balıkların ızgaralardan geçişlerini engelleyip bir bypass kanalına yönlendirerek güvenli bir şekilde aşağı göçlerini tamamlamaları için teknik bir çözüm sağlayıp, hidroelektrik enerjinin sürdürülebilir ve verimli kullanımını iyileştirmektir. Bu tez kapsamında, yenilikçi bir tasarıma sahip Oppermann ince ızgaralarının hidrodinamik, hidrolik ve biyolojik performansı; deneysel, nümerik ve teorik olarak incelenmektedir. Deneysel çalışma kapsamında, iki farklı düzenek altında hem hidrolik ölçümler hem de canlı balık testleri gerçekleştirilmiştir. Oppermann ince ızgaralarının, akım çizgisine uyumlu bar profili sayesinde, akım doğrultucu bir etki yaratarak, makro türbülansı sönümlediği ve mansapta daha homojen ve simetrik bir akım alanı oluşturduğu gözlemlenmiştir. Yönlendirme duvarının, elverişsiz yaklaşım akımı koşullarını iyileştirdiği ve akım ayrılma bölgelerinin oluşumunu azalttığı deneysel olarak gösterilmiş, böylelikle küçük boylu potamodrom balık türlerinin aşağı göçünün kolaylaştırıldığı ortaya konmuştur. Test edilen tüm durumlar için bypass geçiş verimliliğinin, 22° ızgara açısında en düşük seviyede olduğu; buna karşın 38° – 45° ızgara açısı aralığının, balıkların etkin bir şekilde yönlendirilmesine olanak tanıyan en elverişli hidrolik ortamı sağladığı saptanmıştır. Ayrıca, taban eğimindeki artışın, yaklaşım hızlarının yükselmesine ve böylece bypass geçiş başarısının görece daha düşük olmasına yol açtığı görülmüştür. Bunlara ek olarak, bypass kanalına bir savak yerleştirildiğinde ise, akımdaki yavaşlama (backwater effect) sayesinde aşağı yönde balık geçiş verimliliğinde artış gözlenmiştir. Bu bağlamda, akım çizgisine uyumlu profile sahip (streamlined) savak, üçgen profilli (crump) savağa kıyasla daha iyi performans sergilemiştir. Tezin nümerik kısmı kapsamında, hem akıma dik hem de akıma yatayda açılı bir şekilde yerleştirilmiş olan Oppermann ince ızgaraları, yenilikçi bir Darcy–Forchheimer gözenekli ortam yaklaşımı kullanılarak incelenmiştir. Nümerik modelde Oppermann bar profilinin doğrudan temsil edilmesi yerine gözenekli ortam yaklaşımının kullanılması, simülasyonların çok daha kaba bir ağ (coarse mesh) ile yapılabilmesini mümkün kılmış; böylece hesaplama maliyeti ve süresinde belirgin bir azalma sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, yerel akım hızları ve türbülans büyüklükleri bakımından deneysel verilerle iyi bir uyum göstermiş olup, kabul edilebilir düzeylerde tahmin hataları vermiştir. Ayrıca, Büyük Girdap Simülasyonu (Large Eddy Simulation, LES) çözümlerinin, türbülans yapılarını Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) modellerine kıyasla çok daha yüksek bir çözünürlükte yakalayabildiği ortaya konmuştur. Oppermann ızgaraları aynı zamanda teorik bir çerçeve kapsamında da değerlendirilmiş; bu bağlamda, ızgara kaynaklı yük kayıplarının tahmini amacıyla Borda-Carnot denklemi ve Blasius formülü uyarlanmıştır. Boyut analizi sonucunda, ızgara yük kayıp katsayısının, ızgara blokaj oranı p, ızgara açısı, α, bar uzunluğuna göre tanımlanmış Reynolds sayısı, Re_L ve bar geometrisinin bir fonksiyonu olduğu belirlenmiştir. Bu bağlamda, Oppermann bar profili için boyutsuz bir tahmin denklemi elde edilmiş ve bu denklem R2 = 0,92 uyum katsayısı ile oldukça tatmin edici sonuçlar vermiştir. Ayrıca, mevcut hidrodinamik bar profillerinden farklı olarak, Oppermann ince ızgaralarının yük kayıp katsayısının, ızgaranın açısından neredeyse bağımsız olduğu deneysel olarak ortaya konmuştur. Elde edilen tüm sonuçların, her boyuttaki hidroelektrik santralde kullanılabilecek olan fiziksel bariyerlerin (ince ızgaraların) tasarım ve uygulama aşamalarında ve aynı zamanda benzer konuyu ileriki çalışmalarda inceleyecek araştırmacılar için de referans niteliğinde olacağı düşünülmektedir.