PLUNGİNG TİPİNDE KIRILAN DALGA ETKİSİNDE AKIM VE KATI MADDE TAŞINIMI
B. Mutlu Sumer
1, H. Anıl Arı Güner
1,2, Nilas Mandrup Hansen
1,3, David R. Fuhrman
1ve Jørgen Fredsøe
11
Danimarka Teknik Üniversitesi, Akişkanlar Mekaniği- Kıyı ve Deniz Mühendisliği Bölümü, Kongens Lyngby, Danimarka
2
Şu anda: Yıldız Teknik Ünivesitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik ve Kıyı-Liman Lab., İstanbul, Türkiye
3
Şu anda: LIC Mühendislik, Hellerup, Danimarka
Özet
Eğimli bir taban üzerinde plunging tipinde kırılan dalgaların tırmanma ve gelişimini incelemek amacıyla iki paralel deney gerçekleştirilmiştir. Bunlardan ilki hot-film kullanılarak kayma gerilmelerinin ve hızların ölçülmesini sağlayan sabit taban deneyi, ikincisi ise boşluk suyu basınçlarının ölçülmesiyle askı halindeki katı maddenin ve morfolojik değişimlerin incelenmesini sağlayan hareketli kum taban deneyi. Her iki deney sisteminde aynı başlangıç taban profili ve dalga özellikleri kullanılmıştır. Deneyler, ortalama kayma gerilmelerinin dalga kırılmasından sonra (kıyıya doğru) yaklaşık olarak 2 kat büyüdüğünü gösterirken bunlara karşılık gelen türbülans çalkantılarının en az 5-6 kat büyüdüğünü göstermektedir. Plunging tipinde kırılma bir seri vorteksle sonuçlanmaktadır. Bu vortekslere kayma tabakasındaki kararsızlık sebep olmaktadır. Yapılan ölçümler, bu vortekslerin açık deniz yönünde oluşan taban kayma gerilmelerindeki pikleri belirgin olarak büyüttüğünü göstermektedir. Buna ek olarak, zemin boşluk suyu basıncı ölçümleri bu vortekslerin yukarı yönlü büyük basınç gradyanlarına sebep olduğunu belirtmektedir. Dolayısıyla kırılmanın kıyı tarafında askıda katı madde bulutları oluşmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Katı madde taşınımı; plunging kırılma; taban kayma gerilmesi; zemin boşluk suyu basıncı
Flow and sediment transport induced by plunging regular waves Abstract
Two parallel experiments including the evolution and run-up induced by plunging regular waves near the shoreline of a sloping bed were conducted.
One of them is a rigid-bed experiment, allowing direct (hot film) measurements of bed shear stresses and the other one is a sediment-bed experiment, allowing for the measurement of pore-water pressures as well as observation of sediment suspension and bed morphological changes. Both experiments utilize the same initial bed profile and wave forcing. The experiments show that the mean bed shear stresses experienced onshore of incipient breaking are amplified by nearly a factor of 2 relative to prebreaking conditions, whereas their corresponding turbulent fluctuations are amplified by a factor of
5–6. The plunging processes lead to a series of vortices, whose formation may be explained as the result of shear layer instability. Measurements show that these vortices can significantly enhance peaks in the offshore directed bed shear stresses. Moreover, near-bed pore pressure measurements indicate that these vortices cause large upward-directed pressure gradients, which in turn produce a corresponding series of suspended sediment plumes shoreward of the initial breaking event.
Key Words: Sediment transport; plunging waves; bed shear stress; near-bed pore pressure
Giriş
Surf ve çalkantı bölgesinde oluşan akım ve katı madde hareketi ile ilgili işlemlerin detaylı olarak incelenmesi ve açıkça anlaşılması hem mühendislik hem de sosyal açıdan oldukça önemlidir. Bu bölgelerde oluşan katı madde hareketi kıyı çizgisinin şekillenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Surf ve çalkantı bölgesinde meydana gelen işlemler birçok araştırmacı tarafından incelenmiştir: Battjes (1988), Butt ve Russell (2000), Elfrink ve Baldock (2002), Longo vd. (2002), Masselink ve Puleo (2006) ve Brocchini ve Baldock (2008).
Surf ve/veya çalkantı bölgesinde meydana gelen fiziksel olaylar üzerinde yoğunlaşan birçok laboratuar çalışması genellikle ya sabit taban ya da hareketli kum taban üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ancak Sumer vd. (2011) tarafından yapılan çalışmada her iki taban çeşidi de ortak paydada birleştirilerek plunging tipinde kırılan soliter dalga etkisi incelenmiştir. Bu yaklaşım, sabit tabanda detaylı olarak gerçekleştirilen hız ve kayma gerilmesi ölçümlerinin doğrudan hareketli tabandaki boşluk suyu basıncı ve ardından oluşan morfolojik gelişimle ilişkilendirilmesini sağlamaktadır. Bu ilişki her iki tip tabanda da aynı dalga koşulları ve başlangıç profili kullanılarak kurulmaktadır. Bu çalışmada bu yaklaşımın genişletilmesiyle birlikte yakın kıyıda plunging tipinde kırılan düzenli dalgaların etkisinde meydana gelen katı madde taşınımı ve morfolojik işlemler incelenmiştir.
Yöntem
Çalışmada iki paralel deney yürütülmüştür:
1- Sabit taban deneyi: hot-film kullanılarak kayma gerilmelerinin ve hızların ölçülmesi
2- Hareketli kum taban deneyi: Boşluk suyu basınçlarının ölçülmesiyle birlikte askı halindeki katı maddenin ve morfolojik değişimlerin incelenmesi
Her iki deneyde de aynı dalga koşulları ve başlangıç kıyı profili kullanılmıştır.
Sabit Taban Deneyi:
Plunging tipinde kırılan dalga etkisinde akım ve katı madde taşınımının incelendiği deneyler, 28 m uzunluğunda, 0.8 m derinliğinde ve 0.6 m enindeki cam cidarlı dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanal DHI (Danish Hydraulic
Institute) tarafından geliştirilen AWACS (Active Wave Absorption Control System) dalga sönümleme cihazı ile donatılmıştır. Dalgalar piston tipi dalga üreteci tarafından üretilmektedir. 1/14 eğimindeki kıyı PVC plakalardan oluşturulmuştur (Şekil 1 ve 2).
Sabit taban deneylerinde iki tür ölçüm yapılmıştır: taban kayma gerilmesi ölçümleri ve su seviyesi değişimi ölçümleri. Taban kayma gerilmesi ölçümleri kayma gerilmesinin yönünü belirleyebilmek için eş zamanlı LDA (Laser Doppler Anemometer) ölçümleri ile desteklenmiştir. Taban kayma gerilmesi ölçümleri Dantec 55R46 hot-film prob ile PVC plaka üzerine sabitlenerek gerçekleştirilmiştir.
Şekil 1. (a ve b) Sabit tabanlı deney seti. (c) Hareketli kum taban deney seti.
Ölçüler cm mertebesindedir (Sumer vd., 2013)
Şekil 2. Sabit taban deney seti fotoğrafı
Şekil 1 ve 2’de görüldüğü üzere taban kayma gerilmesi ölçümleri 8 kesitte (A- H) yapılmıştır. A-C kesitleri kırılmadan önce açık deniz tarafında kalırken, D-H kesitleri kırılmadan sonra kıyı tarafında kalmaktadır. Hot-film problar yön belirleyemediği için tabandan 0.5 mm yukarıda LDA ile hız ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Su seviyesi ölçümleri açık deniz (filtre önü), topuk ve taban kayma gerilmesi ölçümü hangi kesitte yapılıyorsa o kesit olmak üzere üç farklı noktada yapılmıştır. Taban kayma gerilmesi ve su seviyesi ölçümleri eş zamanlı yapılmıştır. Bu ölçümlere ek olarak yine eş zamanlı video kayıtları gerçekleştirilmiştir. Senkronizasyon ışıklı diyotla sağlanmıştır. Bu sayede kırılmayla birlikte gözlenen yatay eksenli vortekslerin oluşumu ölçülen taban kayma gerilmeleriyle ilişkilendirilmiştir.
Hareketli Kum Taban Deneyi:
Hareketli kum taban deneyleri de aynı kanalda gerçekleştirilmiştir. Kum taban 1:14 eğimde medyan tane çapı d50=0.18 mm, geometrik standart sapması Vg=1.3 ve çökelme hızı w=2.2 cm/s olan quartz kumundan oluşturulmuştur.
Kum taban kalınlığı topukta sıfırdan başlayıp kumsalın sonunda (topuktan itibaren 9.10 m mesafede) 65 cm’e ulaşmaktadır. Üç tip ölçüm gerçekleştirilmiştir: boşluk suyu basıncı ölçümleri, su seviyesi ölçümleri ve taban profil ölçümleri.
Boşluk suyu basıncı ölçümleri yine 8 kesitte gerçekleştirilmiştir. Ancak sabit tabanlı deney ölçümlerine göre bu kesitler 8 cm açığa doğru kaymıştır (Şekil 1c). Boşluk suyu basınçları bu 8 kesitte (1-8) ve 7 derinlikte ölçülmüştür (y= - 0.3, -2.85, -5.0, -7.25, -9.8, -12.9 ve -16.4 cm). Burada y taban yüzeyinden olan düşey mesafedir ve yukarı yönde pozitiftir. Boşluk suyu basıncı ölçümleri Honeywell RS395 basınç transdüseri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 30 mm genişliğinde ve 3.2 mm kalınlığındaki uzun bir düşey alüminyum çubuk üzerinde yerleştirilen basınç ölçme delikleri 6 mm çapındadır ve 40 Pm naylon
filtreyle kaplanmışlardır. Basınç ölçme delikleri şeffaf ve plastik piyozometre tüpleri ile basınç transdüserine bağlanmaktadır.
Sabit taban deneylerinde olduğu gibi hareketli kum taban deneylerinde de eş zamanlı video kayıtları alınmıştır. Profil ölçümleri ise 240 dakika boyunca aralıksız dalgaların koşturulması ile gerçekleştirilmiştir. 240 dakikanın sonunda hareketli kum taban denge profiline ulaşmıştır. Tüm bu süre boyunca 30 Hz frekansla video kayıtları alınmıştır.
Tüm deneylerde açık deniz su derinliği h=40 cm, dalga yüksekliği H=5.9 cm ve dalga periyodu T=3.5 cm’dir. Sabit tabanlı deneylerde ölçümlerin örnekleme frekansı 140 Hz iken, hareketli kum taban deneylerinde 120 Hz’dir. Her deneyde oluşturulan dalga sayısı 40’tır.
Bulgular ve İrdeleme
Yapılan deneylerde ilk olarak plunging tipinde kırılmanın ne şekilde oluştuğu ve geliştiği gözlenmiştir. Şekil 3 bir dalga periyodu boyunca dalga sığlaşması, kırılması, tırmanması ve geri dönüş akımını resmetmektedir. Şekilde görülen sayılar kırılmanın farklı aşamalarını göstermektedir.
Şekil 3. Plunging tipinde dalga kırılması dizilimi. 1: t+0 s zamanına denk gelmektedir; 2: t+0.2 s; 3: t+0.4; 4: t+0.734 s+ 5: t+2.23 s; 6: t+2.267 s ve 7:
t+3.5 s (Sumer vd., 2013)
Şekil 4, Şekil 3’te verilen 2 ve 4 kademeleri arasındaki kırılma sürecini daha detaylı olarak tanımlamaktadır. Dalga kırılması sürecinde en göze çarpan özellik kırılmanın altında vorteks oluşumudur (Vorteks M) (Şekil 4b). Bu vorteks dalganın kıvrılması ile beraber açığa doğru yönelen geri dönüş akımı sebebiyle oluşmaktadır. Şekil 4’teki akım yönleri eş zamanlı LDA ölçümleri sonucunda belirlenmiştir. Vorteks M’i iki adet daha vorteks izlemektedir (Vorteks N ve P) (Şekil 4e-g). Her ne kadar sonradan oluşan bu vortekslerin gelişimi kıvrılan dalga önünün suya çarpması sonucunda meydana gelen dalga sıçramasıyla ilişkilendirilse de, bu üç vorteksin ardışık gelişimi kayma tabakasında görülen kararsızlık olarak değerlendirilmelidir.
Şekil 4. Şekil 3’te gösterilen 2 ve 4 kademeleri arasında detaylandırılmış plunging tipinde dalga kırılması dizilimi (Sumer vd., 2013)
Şekil 5’te su seviyesi ölçümleri yer alırken, Şekil 6’da ortalama taban kayma gerilmesi ve D kesitinde ölçülen taban kayma gerilmesi zaman serisi yer almaktadır.
Şekil 6’da yer alan M harfi Vorteks M’nin oluşumuyla ilgiliyken, Q tırmanma sırasındaki yükselmeyi göstermektedir. Bu pik, kırılmanın yanı sıra akım kıyıya doğru ilerledikçe su derinliğinin azalmasından kaynaklanmaktadır. Bu şekilde Vorteks N ve Vorteks P ile ilgili herhangi bir pik gözlenmemektedir çünkü Vorteks N kesit F’ye Vorteks P ise kesit G’ye gelmeden kaybolmuşlardır.
Şekil 5. Farklı kesitlerde su seviyesi değişimleri (Sumer vd., 2013)
Deneyler, ortalama kayma gerilmelerinin dalga kırılmasından sonra (kıyıya doğru) yaklaşık olarak 2 kat büyüdüğünü gösterirken bunlara karşılık gelen türbülans çalkantılarının en az 5-6 kat büyüdüğünü göstermektedir.
Şekil 6. Ortalama taban kayma gerilmesi (a-f) ve D kesitinde ölçülen taban kayma gerilmesi zaman serisi (g) (Sumer vd., 2013)
Plunging tipinde kırılma bir seri vorteksle sonuçlanmaktadır. Bu vortekslere kayma tabakasındaki kararsızlık sebep olmaktadır. Yapılan ölçümler, bu vortekslerin açık deniz yönünde oluşan taban kayma gerilmelerindeki pikleri belirgin olarak büyüttüğünü göstermektedir. Buna ek olarak, zemin boşluk suyu basıncı ölçümleri bu vortekslerin yukarı yönlü büyük basınç
gradyanlarına sebep olduğunu belirtmektedir. Dolayısıyla kırılmanın kıyı tarafında askıda katı madde bulutları oluşmaktadır. Şekil 7 kırılmanın hemen ardında meydana gelen vorteks nedeniyle oluşan katı madde bulutunu göstermektedir.
Bu bulgular, kısa ve uzun zaman ölçeklerinde meydana gelen morfolojik değişimlerle ilişkilendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar plunging tipinde kırılan soliter dalgaları içeren Sumer vd. (2011) çalışmasıyla karşılaştırılmıştır.
Çalışmanın tüm sonuçları Sumer vd. (2013)’te yayınlanmıştır.
Şekil 7. Katı maddenin hareketli kum tabandan askı haline geçmesini gösteren fotoğraf dizini ve kırılma ile oluşan vorteksin (Vorteks M) katı maddeyi askı haline geçirmesinin şematik gösterimi (Sumer vd., 2013)
Sonuç ve Öneriler
Bu çalışmada aynı dalga koşullarını kullanan iki farklı deney yürütülmüştür.
İlk deney sisteminde taban kayma gerilmeleri ölçülürken ikinci deney sisteminde boşluk suyu basınçları ölçülmüştür.
Dalga kırılma dizini sığlaşma, kırılma, tırmanma ve geri dönüş akımını içermektedir. Bu dizilimin en göze çarpan özelliği ardı ardına yatay eksenli vortekslerin oluşmasıdır. İlk büyük vorteks arkasından gelen iki küçük vorteksle tamamlanmaktadır.
İlk vorteksin kıyıya doğru ilerledikçe açık deniz yönünde taban kayma gerilmesinde oldukça keskin bir yükselişe sebep olduğu gözlenmiştir.
Hareketli kum taban deneylerinde dalga kırılması sırasında kum taban içinde yukarı yönlü basınç kuvvetleri oluştuğu gözlenmiştir. Bu kuvvetler taban
yakınında veya tabanda en büyük değeri almakla birlikte geri dönüş akımıyla ilgilidir. Ölçümler bu kuvvetlerin katı madde batık ağırlığının %30’una ulaşabildiğini göstermiştir.
Dalga kırılmasına bağlı olarak meydana gelen vorteksin geçmesiyle beraber yukarı yönlü basınç kuvveti oluşmaktadır. Bu itici kuvvetin katı madde batık ağırlığının 1.7 katı olduğu ölçülmüştür.
Teşekkür
B. Mutlu Sumer ve David R. Fuhrman FP7-ENV-2013.604-3 ASTARTE (Assessment, STrategy And Risk Reduction for Tsunamis in Europe) isimli ve 603839 nolu Avrupa Birliği projesi desteği için teşekkür ederler. H. Anıl Arı Güner TUBİTAK tarafından sağlanan 2219-Yurt Dışı Doktora Sonrası Araştırma Bursu için teşekkür eder.
Kaynaklar
Battjes, J. A. (1988), Surf-zone dynamics, Ann. Rev. Fluid Mech., 20, 257–
293.
Brocchini, M., ve T. E. Baldock (2008), Recent advances in modeling swash zone dynamics: Influence of surf-swash interaction on nearshore hydrodynamics and morphodynamics, Rev. Geophys., 46, RG3003.
Butt, T., ve P. Russell (2000), Hydrodynamics and cross-shore sediment transport in the swash zone of natural beaches: A review, J. Coastal Res., 16, 255–268.
Elfrink, B., ve T. Baldock (2002), Hydrodynamics and sediment transport in the swash zone: A review and perspectives, Coastal Eng., 45, 149–167.
Longo, S., M. Petti, ve I. J. Losada (2002), Turbulence in the swash and surf zones: A review, Coastal Eng., 45, 129–147.
Masselink, G., ve J. A. Puleo (2006), Swash-zone morphodynamics, Cont.
Shelf Res., 26, 661–680.
Sumer, Sen, Karagali, Ceren, Fredsøe, Sottile, Zilioli, ve Fuhrman (2011): Flow and sediment transport induced by a plunging solitary wave. J. Geophys. Res., vol. 116, C01008, pp. 1-15.
Sumer, Guner, Hansen, Fuhrman, ve Fredsøe (2013): Laboratory observations of flow and sediment transport induced by plunging regular waves. J.
Geophys. Res.: Oceans, vol. 118, pp. 6161–6182.
