Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/13533
Title: Gemi Kıçındaki Akım Ayrılmasının Girdap Yapıcılar Aracılığıyla Kontrolü
Other Titles: Separation Control On Stern Of A Ship By Vortex Generators
Authors: Ünal, Uğur Oral
Canyurt, Talat Gökçer
10115001
Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
Naval Architecture and Marine Engineering
Keywords: Had Gemi Hidrodinamiği Girdap Yapıcı
Cfd Ship Hydrodynamics Vortex Generator
Issue Date: 29-Jun-2016
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Akım ayrılması hadisesi, ters basınç gradyanı neticesinde sınır tabakanın duvar yüzeyinden ayrılması sonucu oluşmaktadır. Bu hadise, dolgun formlu tankerler gibi deniz araçlarında görülebilmektedir. Deniz araçlarında oluşan akım ayrılmaları gemilerde direnç artışı ve gemilerin sevk verimini düşürmesi gibi olumsuz etkilere neden olmaktadır. Günümüzde, hidrodinamik ve aerodinamik açıdan pek çok kara, hava ve deniz araçlarının akım ayrılmalarının yerleri tespit edilebilmektedir. Tespit edilen akım ayrılmaların engellenerek ya da geciktirilerek kontrol edilmesi mühendislerin oldukça ilgisini çekmektedir. Aerodinamik açıdan müspet etkileri görülen girdap yapıcılar duvardaki sınır tabaka içine girdaplar ile sınır tabakanın enerji düzeyini arttırarak akım ayrılmalarının kontrolünü sağlamaktadır. Kara ve hava araçlarının aerodinamik dizaynında önemli bir yer tutan girdap yapıcılar, hidrodinamik açıdan da potansiyeli öngörülmüştür. Bu konuda inceleme yapmak üzere güçlü akım ayrılmalarına sahip dolgun formlu bir tankerin akım ayrılmalarının girdap yapıcılar aracılığıyla kontrolü çalışmaları yapılmıştır. Bölüm 1’de girdap yapıcılar hakkında literatürde yapılan çalışmalar özetlenmiş olup girdap yapıcıların tipleri ve parametreleri hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile gerçekleştirilmiştir. Bölüm 2’de HAD yöntemleri ve HAD yöntemlerinde kullanılan yönetici denklemler hakkında bilgi verilmiştir. Aynı zamanda bu kısımda; sıkıştırılamaz Reynolds Ortalaması Alınmış Navier Stokes (RANS) temelli SST k-ω türbülans modeli ve daimi akış için basınç hız bağıntısı veren SIMPLE algoritması hakkında detaylı bilgi yer almaktadır. HAD çalışmalarının sağlıklı olarak yürütülebilmesi için kullanılan teknik ve yöntemlerin deneysel verilerle geçerlenmesine ihtiyaç vardır. Bölüm 3’te HAD teknik ve yöntemlerin geçerlemeleri yer almaktadır. Geçerleme çalışmaları MOERI (Maritime and Ocean Engineering Research Institute) tarafından geliştirilen U kıç formlu KVLCC2 (KRISO - Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering - Very Large Crude Carrier) gemisi kullanılarak yapılmıştır. KVLCC2 gemisinin geçerleme çalışmaları, çift model yaklaşımıyla sonsuz derinlik kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırması sonucu elde edilen deneysel veriler ile yapılan HAD çalışmalarından elde edilen veriler karşılaştırılarak geçerleme işlemleri tamamlanmıştır. Çalışmaların daha az maliyetli olarak sürdürülebilmesi için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bölüm 3’te ayrıntılı bir şekilde açıklanan bu yöntem KVLCC2 gemisine uygulanmıştır. Kesilmiş modelin HAD analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar kesilmemiş modelin direnç bileşen değerleri, akım hatları ve belirli istasyonlardan alınan hız, basınç, türbülans kinetik enerjisi ve spesifik disipasyon oranı konturları kesilmiş modelinkileri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırması yapılan sonuçlarda yüksek oranda benzerlik görülerek modelin kesilmesi yönteminin geçerlemesi yapılmıştır. Bölüm 4’te girdap yapıcıların şiddetli akım ayrılmalarına sahip bir tankerin kıçına uygulanarak akım ayrılmalarının kontrolü çalışmaları yer almaktadır. Girdap yapıcıların tankerin kıçına uygulaması çalışmalarından önce çalışılan tanker için yapılan HAD çalışmalarının ağdan bağımsızlığı yapılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışmaları sonucu elde edilen ideal çözüm ağı için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem ideal tanker çözüm ağına uygulanarak yöntemin geçerlemesi tanker modeli için tekrar yapılmıştır. Tanker için modelin kesilmesi yönteminde elde edilen giriş profili bundan sonraki bütün çalışmaların giriş koşulu olarak yer almaktadır. Kesilmiş model çözüm ağı sıklaştırılıp tekrar çözülmüştür. Bu çözümden, tankerin akım ayrılmalarının yerleri tespit edilmiştir. Tankerin kıçına uygulanan girdap yapıcıların akım ayrılmalarına etkilerinin yanı sıra tankerin direnç bileşenlerine etkileri de dikkate alınmaktadır. Bu iki husus dikkate alınarak en verimli girdap yapıcı konfigürasyonunun tespiti için parametrik çalışma yapılmıştır. Bölüm 4.3’te girdap yapıcıların değişken dört tane parametre ile sistematik bir biçimde tanker kıçına uygulanarak akım ayrılmalarına ve direnç bileşenlere etkileri araştırılmaktadır. Bu parametreler; girdap yapıcılar arası mesafeler, girdap yapıcıların hücum açıları, girdap yapıcıların profil yükseklikleri ve girdap yapıcıların girdaplarının dönüş yönleridir. Bu çalışmada, girdap yapıcılar arası mesafeler S, girdap yapıcıların boyları L’ye bölünerek S/L olarak boyutsuzlaştırılarak ifade edilmektedir. Girdap yapıcıların hücum açıları ise α olarak ifade edilmektedir. Profil yüksekliklerine göre girdap yapıcılar; konvansiyonel ve düşük profil girdap yapıcılar olarak isimlendirilmektedir. Girdap yapıcılar ürettikleri girdaplara göre eş dönüşlü ve karşıt dönüşlü girdap yapıcılar olarak bu çalışmada yer almaktadır. Değişken dört parametrelerin üzerinden uygulanan girdap yapıcı vakaları belirlenmiş bir kural doğrultusunda kodlanmaktadır. Kodlama kuralına göre bütün vakaların ismi GY ile başlamakta olup ilk iki rakam girdap yapıcıların birbirlerine olan S/L mesafelerini, üçüncü ve dördüncü rakam α’yı temsil eder. Beşinci karakter konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında K, düşük profil girdap yapıcı vakalarında D olarak yer almaktadır. Son karakter eş dönüşlü girdap yapıcı vakalarında E, karşıt dönüşlü girdap yapıcı vakalarında K olarak yer almaktadır. Çıplak gemi M1 olarak isimlendirilmektedir. Bu konuda daha ayrıntılı bilgiler ve örneklendirmeler Bölüm 4.4’te yer almaktadır. Bölüm 4.4.1’de ilk parametre olarak girdap yapıcıların S/L parametresi incelenmektedir. S/L parametresi incelenen girdap yapıcılar konvansiyonel, eş dönüşlü ve hücum açıları α = 160’dir. İlk parametre için gemi kıçına uygulanan girdap yapıcı vakalarında S/L = 2.5 konfigürasyonuna sahip GY2516KE’den en verimli sonuç alınmıştır. GY2516KE vakası M1 vakası ile kıyaslandığında GY2516KE vakasında akım ayrılmaların büyük ölçüde engellendiği görülmektedir. GY2516KE vakasındaki girdap yapıcılar tankerin direnç bileşenlerini %4.6 oranında düşürdüğü görülmektedir. GY3516KE ve GY1016KE ise en başarısız sonuçların alındığı vakalardır. Konvansiyonel, eş dönüşlü ve 160 hücum açılı vakalarda GY3516KE vakası hariç bütün vakalar akım ayrılmalarının kontrolü açısından başarılı sonuç verirken, GY1016KE vakasının direnç bileşen değerleri açısından başarısız sonuç vermesinin sebepleri araştırılmıştır. GY1016KE vakasının tanker yüzeyindeki basınç katsayısı konturları ve belirli istasyonlardan alınan girdaplılık konturlarına göre bu vakada yer alan girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına kadar ulaşarak tanker direnç bileşen değerlerini olumsuz etkiledikleri görülmüştür. Bölüm 4.4.2’de ikinci parametre olarak α incelenmektedir. Bölüm 4.3.1’de incelenen 160 hücum açılı S/L mesafelerinden 2.5, 2.0 ve 1.5 olanlarının 100 ve 230 hücum açılı olarak uygulamalarının analizi yapılmıştır. Direnç bileşen değerleri açısından, incelenen S/L mesafelerinin α = 100 ve α = 230 hücum açılı vakalardan hiçbirisi aynı S/L mesafelerinin α = 160 hücum açılı vakalarından daha başarılı sonuç vermemiştir. Bunun nedeni olarak α = 230’li ve α = 100’li vakaların girdapların tankerin ayna kıçına daha şiddetli ulaşması olarak ortaya konmuştur. Bölüm 4.4.3’te üçüncü parametre olarak girdap yapıcıların profil yükseklikleri incelenmektedir. Düşük profil girdap yapıcı vakalarında önceki bölümlerde verimli olarak ortaya konan 160 hücum açılı ve 2.5, 2.0, 1.5 ve 1.0 S/L mesafelerinin uygulamaları yer almaktadır. Akım ayrılmalarının kontrolü açısından ve tanker direnç değerlerini düşürmesi açısından S/L = 1.0 mesafeli GY1016DE vakası en başarılı düşük profil girdap yapıcı vakası olarak belirlenmiştir. GY1016DE vakasındaki girdap yapıcılar tanker direnç bileşenlerini %4.21 oranında düşürdüğü görülmektedir. Diğer S/L mesafelerinden ek olarak S/L = 1.0 düşük profil girdap yapıcıların 100 hücum açılı uygulaması yapılmıştır. Konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında olduğu gibi S/L = 1 mesafeli 160 hücum açılı düşük profil girdap yapıcı uygulaması 100 hücum açılı uygulamaya göre daha başarılı sonuç verdiği görülmüştür. Genel olarak tanker kıçına uygulanan düşük profil girdap yapıcılar akım ayrılmaların kontrolü açısından konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha başarısız sonuçlar vermesine rağmen direnç bileşen değerlerini kayda değer oranda düşürdükleri görülmektedir. Bunun nedeni, düşük profil girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına ulaşana kadar zayıflayarak ayna kıç akımını daha konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha düşük oranda etkilemeleri olarak görülmüştür. Bölüm 4.4.4’te girdap yapıcıların girdap dönüş yönü parametresi incelenmiştir. En verimli eş dönüşlü girdap yapıcı parametreleri karşıt dönüşlü girdap yapıcı konfigürasyonuna uygulanmıştır. S/L = 2.5 mesafelerinin α = 100 ve 160 hücum açılı konvansiyonel girdap yapıcıların karşıt dönüşlü uygulamaları yapılarak iki tane karşı dönüşlü girdap yapıcı vakasının analizi yapılmıştır. Eş dönüşlü girdap yapıcı uygulamaların tersine 100 hücum açılı GY2510KK vakası 160 hücum açılı GY2516KK vakasına göre daha efektif sonuçlar vermiştir.
Flow separation, which is detachment of a boundary layer from the wall surface due to adverse pressure gradient, is an undesired phenomenon in terms of ship hydrodynamics. Flow separation on marine vessels can cause negative results as well as increasing resistance and propulsion energy losses. It is possible to determine the location of the separation by the aspects of hydrodynamics and aerodynamics scopes on surfaces of aerial and nautical vessels. It can be a significant issue to vanish or delay flow this incident. As an application, vortex generators already has favorable effects on flow separation by generating vortex in order to increase energy level in the boundary layer with a consequence of deriving streamlines towards wall surface. Vortex generators, which are commonly in use in the field of aerodynamics, have potential for hydrodynamics studies. In scope of this thesis, vortex generators are utilized as an implantation on stern of a tanker with severe flow separations to investigate separation control of a marine vessel by vortex generators. The literature review related to vortex generators and its types and parameters are stated in Chapter 1. Committed studies are executed by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The methods and the governing equations are briefly mentioned in Chapter 2. Besides, in this chapter, detailed information is given about incompressible Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) based two equation eddy viscosity SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model and pressure velocity relation algorithm for steady flow is taken SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) algorithm which denotes pressure-velocity relation for steady flows that are chosen by this thesis. Moreover, in this chapter Law of the Wall is briefly explained. In this study, dimensionless distance from the wall y+ values is attempted lower than 5. Since, the flow separation is investigated properly with y+
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016
URI: http://hdl.handle.net/11527/13533
Appears in Collections:Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10115001.pdf9.22 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.