Yazı İçeriği
Açık kanal akımları; akarsuyun su yüzeyinin atmosfere açık olduğu akışlardır. Su yüzeyinin atmosfer ile temas halinde olan bir yüzeyi mevcuttur. Akarsular, sulama kanalları, kanalizasyon şebekeleri, drenaj kanalları ve yağmur suyu kanallarındaki akımlar vb. şekilde yapılmış olan sulama kanalları açık kanal akımlarıdır. Açık kanallarda akım tipleri değişik ölçütlere göre sınıflandırılırlar.
Bir akarsu akışının herhangi bir noktasındaki suyun derinliği, hızı, suyun temas halinde olduğu kesiti, suyun debisi gibi hidrolik parametreler, belli zaman periyodu içinde değişmiyorsa veya sabit kabul ediliyorsa bu akım türüne kararlı akım denir. Eğer yukarıda sayılan hidrolik parametreler zamanla değişiyorsa bu akım türüne ise kararlı olmayan akım denir.
Zaman ölçütü dışında akımların bir diğer sınıflandırma çeşidi de konumlarına göre sınıflandırılmalarıdır. Kanaldaki akan suyun derinliği kanalın her noktasında aynı ise üniform (değişken olmayan) akım, her noktasında aynı değil yani akım derinliği değişkense üniform olmayan (değişken) akım denir. Bu durum hem kararlı akımlarda, hem de kararsız olmayan akımlarda gözlemlenebilmektedir.
Açık Kanallarda Üniform Akımlar
Genellikle bir kanal tasarlanırken akımın üniform olması istenir. Çünkü üniform akım boyunca suyun derinliği, hızı ve dolayısıyla debisi sabit kalmaktadır. Bu nedenle tasarlanan su kanallarında bu kriterler göz önünde tutularak su daha kolay kontrol edilmek istenmektedir. Yapılan projelerde kanal kesiti oldukça sabit tutulur ve üniform akım koşulları sağlanacak şekilde tasarımlar yapılır.
Doğal akarsularda üniform akım koşullarının oluşması çok zordur. Ancak hesaplamalardaki kabullerde akarsulardaki su hesaplarında da üniform akım şartları dikkate alınarak hesaplar yapılır.
Açık Kanallarda Üniform Olmayan Akımlar
Doğal akarsu kanallarında, taban eğimi, pürüzlülük ve debi en kesitten başka bir kesite geçildiğinde değişeceğinden üniform akım söz konusu olamayacaktır ve üniform akış şartları için verilen denklem ve ifadeler de kullanılamayacaktır. Ayrıca, bir akarsu kanalına inşa edilecek herhangi bir su yapısı veya kanalda oluşturulan herhangi bir değişiklik de üniform akım şartlarını bozacaktır. Bu durumlarda, kanal derinliği ve akım hızı, kanal boyunca alınan bir x mesafesinin fonksiyonu olarak hesaplanacaktır. Akım çizgileri birbirine paralel olmayacak ve dolayısıyla akarsu kesitinde hidrostatik basınç dağılımında sapmalar meydana gelecektir.
Üniform olmayan açık kanal akımları iki kısma ayrılır.
- Tedrici (yavaş) değişen akımlar (enerji ve sürtünme kuvveti ile ilgili denklemler geçerli)
- Ani değişen akımlar (enerji ve impuls-momentum denklemleri geçerli)
Açık Kanallarda Su Debisi Hesabı
Mühendislik hayatında çoğu kez deneysel bazı pratik denklemler yardımıyla çok önemli problemlerimizi çözeriz ve bunlar genellikle türettikleri kişinin adıyla bilinir. Örneğin bir nehir yatağından dere ya da bir kanaldan akan su debisini bulmak için Manning denklemini kullanırız. Bu denklem ile üstü açık ve eğimli bir dere, kanal vb. su taşıyan yapılardan yerçekimi etkisinde akan suyun ortalama hızını, dolayısı ile debisini bulmak oldukça kolaydır. Daha önce kapalı kanallarda Bernoulli denkleminden bahsetmiştik. Biz bu yazı kapsamında açık kanallarda üniform akış şartlarını göz önüne alacağız. Bunun için;
V : Suyun ortalama hızı (m/sn)
Rh : Hidrolik yarı çap (m)
S : Kanalın eğimi
A : Akan suyun kesit alanı (m2)
P : Kesit alanın suya temas eden çevre uzunluğu veya Islak çevre (m)
n : Kanal yatağının pürüzlülük katsayısı (boyutsuz)
Burada “n” pürüzlülük katsayısının seçimi çok önemlidir. Pürüzsüz çelik bir kanalda bu katsayı 0.012 iken yatağı taş dolu bir derede ise bu katsayı 0.06 ya kadar çıkabilir. Bazı yapıların Manning pürüzlülük katsayıları aşağıdaki tabloda verilmiştir.
| Surface Material | Manning’s Roughness Coefficient – n – |
|---|---|
| Asbestli çimento | 0.011 |
| Asfalt | 0.016 |
| Pirinç | 0.011 |
| Tuğla ve çimento harçlı kanalizasyon | 0.015 |
| Kanvas | 0.012 |
| Dökme veya Sfero döküm | 0.012 |
| Kil fayans | 0.014 |
| Beton – çelik formlar | 0.011 |
| Çimento beton | 0.012 |
| Beton – ahşap formlar | 0.015 |
| Beton – merkezkaçla bükülmüş | 0.013 |
| Bakır | 0.011 |
| Oluklu metal | 0.022 |
| Pürüzsüz toprak | 0.018 |
| Temiz toprak kanal | 0.022 |
| Çakıllı toprak kanal | 0.025 |
| Otsu toprak kanal | 0.030 |
| Taşlı toprak kanal | 0.035 |
| Taşkın alanları – mera, tarım arazisi | 0.035 |
| Taşkın alanları – hafif fırçalanmış | 0.050 |
| Taşkın alanları – ağır fırçalanmış | 0.075 |
| Taşkın alanları – ağaçlı | 0.15 |
| Galvanizli demir | 0.016 |
| Cam | 0.010 |
| Sert çakıl | 0.023 |
| Kurşun | 0.011 |
| Duvar | 0.025 |
| Oluklu metal | 0.022 |
| Doğal akış | 0.030 |
| Doğal akış – büyük nehir | 0.035 |
| Doğal akış – durgun derin havuz | 0.040 |
| Doğal akış – çok kirli | 0.060 |
| Plastik | 0.009 |
| Polietilen PE -düz iç duvar | 0.009 – 0.015 |
| Polietilen PE – iç ve dış duvar oluklu | 0.018 – 0.025 |
| Polivinil klorür PVC – düz iç duvar | 0.009 – 0.011 |
| Moloz duvar | 0.017 – 0.022 |
| Çelik – kömür katranlı emaye | 0.010 |
| Çelik – düz | 0.012 |
| Çelik – astarsız | 0.011 |
| Çelik – perçinli | 0.019 |
| Vitrifiye kil kanalizasyon borusu | 0.013 – 0.015 |
| Ahşap – rendelenmiş | 0.012 |
| Ahşap – rendelenmemiş | 0.013 |
| Küçük çaplı ahşap çıta boru | 0.011 – 0.012 |
| Büyük çaplı ahşap çıta boru | 0.012 – 0.013 |