Sürdürülebilir Kalkınma Amaçları
Yayınlar
- MakaleAçık Erişim2026Refinement of field-measured velocity profiles via CFD comparison: A case study on single-phase flow in aeration tanks
Yilmaz Çelik, Damla; Vaheddoost, Babak; Aras, Egemen; Şibil, Rahim
The accuracy of field measurements obtained from aeration tanks is of critically important for the validation of Computational Fluid Dynamics (CFD) models. In many cases, the employed validation metrics serve as a fundamental keystone for evaluating both the credibility of experimental data and the accuracy of numerical simulations. In this study, a novel data refinement approach is developed to assess the physical plausibility of velocity measurements collected from a full-scale aeration tank. Unlike conventional validation approaches, the CFD model is utilized as a reference framework within a reverse-approach perspective to evaluate the reliability of field data. Measurement points affected by acoustic noise, surface sludge interference, and turbulence near static structures were identified and excluded through curve-fitting and statistical filtering techniques. Velocity data obtained with the help of an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) across six lateral and 53 vertical layers were evaluated using the Coefficient of Determination (R2), Relative Error (RE), and Performance Index (PI) metrics. The maximum-elimination combined with polynomial fitting notably enhanced the model accuracy, reducing RE from −123 % to 20 %, increasing R2from 0.054 to 0.96, and improving PI from 2.6 to 1.16. As a result, the refined dataset provided a more consistent and realistic representation of the flow structure and established a robust observational basis for the future calibration.
- MakaleAçık Erişim2025Hydrodynamic optimization of full-scale aeration tanks using field measurements and computational fluid dynamics modeling
Yılmaz Çelik, Damla; Yılmaz, Naz; Şibil, Rahim; Aras, Egemen; Vaheddoost, Babak
Improving energy efficiency and operational performance in wastewater treatment plants largely relies on precise hydrodynamic analysis. In this context, field-based studies are essential for understanding system behavior under real operational conditions. This study was conducted at a full-scale wastewater treatment plant, where flow dynamics in the aeration tank were evaluated through extensive field measurements and computational fluid dynamics modeling. Data were collected from 98 locations across 15 different depth levels using an Acoustic Doppler Current Profiler and a Hach FH950 velocity meter. The numerical model was initially validated with the help of experimental field data, enabling an accurate assessment of flow characteristics at varying depths. Results revealed that the low-velocity zones and non-uniform velocity distributions negatively affect system performance. It is also concluded that the inlet and outlet positions disturb the favorable circulation patterns and flow uniformity. Geometric optimization strategies were implemented to develop solutions, which led to a more uniform velocity distribution and improved hydraulic efficiency. By integrating detailed field measurements with numerical modeling, this study provides a comprehensive understanding of aeration tank hydrodynamics and offers practical design recommendations for improving overall system performance.
- MakaleAçık Erişim2024Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile açık kanal akımında bitki örtüsünün akım özelliklerine etkisinin analizi
Şibil, Rahim
Bu çalışmada bitki örtüsünün, dikdörtgen bir açık kanal üzerindeki akım özelliklerine olan etkisi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizi kullanılarak incelenmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) için ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. Akımın üç boyutlu, sıkışmayan, türbülanslı ve kararlı olduğu kabul edilmiştir. Sayısal çalışma literatürde yapılan deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Sayısal çalışmanın deney sonuçlarını başarılı bir şekilde tahmin ettiği gözlemlenmiştir. Sayısal çalışma ve ölçüm sonuçları arasındaki bağıl hata %10’un altında bulunmuştur. Yapılan sayısal çalışmalar sonucunda, bitki örtüsünün kanalın akım ve türbülans özelliklerini önemli ölçüde değiştirdiği gözlemlenmiştir. Bitki örtüsü olan bölgelerde, su yüzeyinde hızların çok düşük olduğu, yaprak örtüsünün altında kökler arasında ise hızların yüksek olduğu ve maksimum hızın 0,1177 m/s ile bu bölgede gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ayrıca türbülans viskozitesinin serbest alanlarda fazla olduğu gözlemlenirken türbülans enerji kırılımının katı-sıvı temas bölgelerinde fazla olduğu görülmüştür. Bu çalışma, açık kanal akışının bitki örtüsüyle etkileşimini anlamak ve açık kanal sistemlerinin hidrolik açıdan performansını geliştirmek için önemli bilgiler sağlamaktadır.
- MakaleAçık Erişim2023Bitki Örtülü Kanalların Akım Özelliklerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Belirlenmesinde Yakın Duvar Davranışının Etkisi
Şibil, Rahim
Bu çalışmada bitki örtülü kanalların akım özelliklerinin sayısal olarak tahmin edilmesinde önemli parametrelerden biri olan yakın duvar davranışı yaklaşımlarının sonuçlara etkisi incelenmiştir. Bu amaçla sayısal çalışmalar, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) metodu ile analiz yapabilen Ansys Fluent yazılımı kullanılarak üç boyutlu, türbülanslı, sıkıştırılamayan ve kararlı akım koşullarında bitki örtülü dikdörtgen kesitli bir kanal için gerçekleştirilmiştir. Türbülans modeli olarak gerçekleşebilir k-ε (realizable k-ε) türbülans modeli kullanılmıştır. Sayısal çalışmalarda yakın duvar davranışı için farklı yaklaşımlar kullanılarak (standart duvar fonksiyonları, ölçeklenebilir duvar fonksiyonları, denge dışı duvar fonksiyonları ve geliştirilmiş duvar davranışı) kanaldaki hız dağılımları tahmin edilmeye çalışılmış ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar literatürde yapılmış deneysel bir çalışmayla karşılaştırılarak en başarılı metot ortaya konulmuştur. Yapılan karşılaştırma sonucunda “geliştirilmiş duvar fonksiyonu” yaklaşımıyla kurulan sayısal çalışma en başarılı tahmin sonucu veren yaklaşım olmuştur. Ayrıca HAD analizi sonucunda elde edilen kanaldaki hız dağılımları verilerek, bitki örtülü açık kanal akımında hidrolik özellikler incelenmiştir. Kanal içerisinde bitkisiz bölgede minimum hızlar sadece kanal tabanında oluşurken maksimum hız ise y=14.1 cm yükseklikte su yüzeyinde V=0.051 m/s olarak hesaplanmıştır. Bitkili bölgede ise hızların kanal tabanı ve yüzeydeki yaprak yüzeylerinde sürtünmeden dolayı sıfır olduğu görülmektedir. Maksimum hız tabandan y=7.8 cm yükseklikte V= 0.041 m/s olarak gözlemlenmiştir. Bu çalışma, açık kanal akışının bitki örtüsüyle etkileşimini anlamak ve açık kanal sistemlerinin hidrolik performansını geliştirmek için önemli bilgiler sağlamaktadır.
- MakaleYalnız künye2023Hydrodynamic performance evaluation of screening on the physical unit operations in wastewater treatment based on experimentally validated CFD computations
Şahin, Nagehan; Şibil, Rahim
This paper introduces an evaluation of the hydrodynamic performance of the flow in the screens used on the physical unit operations in a selected full-scale wastewater treatment plant (WWTP) based on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The numerical study was carried out with the ANSYS Fluent, CFD software by using the three-dimensional (3 D), steady, incompressible flow based on the Reynolds-Average Navier-Stokes equations with three different turbulence modeling. The hydrodynamic behavior of the screening facility, combined with head pond-upstream channel-bar screens was evaluated under different conditions of the mass flow rate and velocity fields. Also, the numerical study was validated against the experimental study, which implemented in-situ measurements by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV), and consistent results were obtained between the numerical and experimental study. Interestingly, while the Realizable (real) k-ε turbulence model with the relative error of 9.31% gave the best predicting results in the head pond, the renormalization group (RNG) k-ɛ turbulence model with the relative error of 9.05% gave the best predicting results in the upstream channel and through bar screens. As a result of the experimental measurements and CFD analyses carried out in the full-scale WWTP, the function of the screening facility was found to be incomplete. Moreover, a hydraulically improved new geometry was presented to operate the existing WWTP efficiently.
- MakaleYalnız künye2021Comparison of various turbulence model performance in computational fluid dynamics analyses of the oxidation ditches with experimental validation
Şibil, Rahim; Aras, Egemen; Kankal, Murat
Experimental and numerical studies were carried out to determine the full-scale Oxidation Ditch (OD) hydrodynamics considering various turbulence models. Firstly, the experimental work was carried out in a full-scale plant by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) for field-measurements. Secondly, the experimental data was used to validate numerical models by using Computational Fluid Dynamics (CFD) software Ansys Fluent. Eight different turbulence models were compared in the numerical study to predict full-scale hydrodynamics. Results showed that standard k-ε, renormalization group k-ε, realizable k-ε turbulence models gave more accurate prediction results with relative errors of 13 %, 17 %, and 18 % respectively, whereas the standard k-ω turbulence model gave the worst prediction results with 39 % relative error. This study also shows that the velocities in the ODs are very low without external force such as air diffusers, rotors, and mixer and there is no homogeneous flow field distribution in the ODs. Moreover, the maximum wastewater velocities occurred at the inlet and outlet.
- MakaleAçık Erişim2021Experimental and numerical studies on predicting and improving the full-scale wastewater treatment plant hydrodynamics
Şibil, Rahim; Aras, Egemen; Kankal, Murat
This paper presents the results of both experimental and numerical studies on biological wastewater treatment plant (WWTP), oxidation ditches (OD) hydrodynamics to design and develop the desired flow conditions of the WWTP. Computational fluid dynamics (CFD) models were developed using CFD software, ANSYS Fluent (V13) with the three-dimensional, steady, incompressible flow based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations for flow field calculations in the combined ODs. Also, three different turbulence models [standard k–ε (ske), renormalization group k–ε (RNG), and realizable k–ε (real)] were performed for a comparative study. The numerical model was verified based on the experimental data in the relative errors for ske, RNG, and real 13%, 17%, and 18%, respec-tively. According to the parametric studies, the hydrodynamic characteristics of the existing WWTP were investigated. The maximum wastewater velocity occurred at the inlet and outlet, affecting the flow field in ODs. Moreover, the water velocity decreased as it moved away from the inlet and outlet locations at vertical and horizontal. It can also be noted that there was no homogeneous flow field distribution in ODs. Because the current OD model needs improvement hydrodynamically, a new original OD geometry was presented to eliminate the hydraulic weakness of existing WWTP by CFD analysis. The new original geometry provides a more homogeneous flow field in ODs that mean it will also help treatment efficiency and energy saving according to the operating principles of this facility.