Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/13534
Title: Deneysel Ve Hesaplamalı Yöntemler İle Dalga Direnci Tahmini
Other Titles: Prediction Of Wave Resistance By Experimental And Computational Methods
Authors: Bal, Şakir
Sukas, Ömer Faruk
10041511
Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
Naval Architecture and Marine Engineering
Keywords: Dalga Direnci; Sürtünme Direnci; Ranse; Had; Form Faktörü
Wave Resistance; Viscous Resistance; Ranse; Cfd; Form Factor
Issue Date: 26-Jun-2014
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Su üstünde ve su altında giden üç boyutlu cisimler etrafındaki akımı çözebilmek oldukça karmaşık ve zor bir problemdir. Günümüzde potansiyel akım teorisinin kısıtlı kullanımı ve bazı durumlarda yetersiz kalmasından dolayı model deneyleri, su altı veya su üstünde belirli hızlarda ilerleyen cisimlerin direnç hesaplamalarında hala geçerliliğini korumakta olan bir yöntemdir. Ancak hem akademik çalışmalarda hem de sanayi uygulamalarında deney imkanlarının kısıtlı ve pahalı olması, cisimlerin etrafındaki akım problemlerinin incelenmesinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımlarını popüler hale getirmiştir. Bilgisayar kullanımının hızla gelişmesiyle beraber HAD tabanlı ticari programlar da gelişmiş ve bu yazılımlara ulaşmak daha kolay hale gelmiştir. Son yıllarda gemi etrafındaki akım problemlerinin incelenmesiyle ilgili literatürde yer alan makale ve tezlerde HAD yazılımlarının kullanımında ciddi bir artış olduğu gözlenmiştir. Bu tezde de cisimler etrafındaki akım problemlerinin incelenmesinde ticari bir HAD yazılımı kullanılmıştır. Tezin konusu, serbest su yüzeyi altında giden (tamamen batmış) ve gemi gibi suyu yararak ilerleyen (yüzey yarıcı) cisimler için Reynolds Ortalamalı Navier – Stokes (RANS) denklemlerini çözen ticari bir yazılım yardımıyla direnç bileşenlerinin incelenmesidir. Özellikle dalga direnci için deneysel çalışmalarda uygulanan yöntemden farklı bir hesaplama yöntemi önerilmiştir. Bu önerilen yöntem, elipsoit gibi tamamen batmış bir cisim üzerinde uygulanmış olup yöntemin yüzey yarıcı cisimlerde de doğru sonuçlar verdiğini görebilmek amacıyla bir adet Wigley teknesi ile yumrubaşa sahip modern bir deplasman tanker üzerinde de doğrulaması olmuştur. Elde edilen dalga direnci değerleri literatürde yer alan bazı çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Bu çalışmaya ilave olarak, yine su altında seyreden fakat farklı bir boy-genişlik oranına sahip ikinci bir elipsoit modeli için deneysel ve hesaplamalı olarak farklı hız ve derinliklerde toplam direnç hesabı yapılmış ve sonuçlar birbirleriyle kıyaslanmıştır. Deneyleri yapılan bu elipsoit modeline yelken ve finler eklenerek aynı boy ve genişliğe sahip bir denizaltı modeli oluşturulmuş ve eklenen bu takıntıların toplam dirence yüzdesel olarak ne kadar katkıda bulunduğu hesaplamalı analizler yardımıyla incelenmiştir. Yapılan çekme deneyinin deneysel kurulumu için elipsoit modeline bakır bir çubuk bağlanmış ve bu çubuğa da tek bileşenli dinamometre bağlanmıştır. Deney arabasının ilerlemesiyle beraber ilk önce elipsoit ve çubuğa eksenel yönde gelen toplam direnç okunmuş, daha sonra model çubuktan çıkarılarak yine aynı hız ve derinliklerde sadece çubuk üzerine gelen direnç değerleri kaydedilmiştir. Elde edilen ilk direnç değerlerinden sadece çubuğa etkiyen direnç değerleri çıkartılıp sadece modele etkiyen toplam direnç değeri elde edilmeye çalışılmıştır. Deney sırasında model ile ekipmanların birbirleriyle olan etkileşimleri incelenmiş olup, bu tip yan faktörlerin sonuçlar üzerindeki etkisi tartışılmıştır. Tez, altı ana bölümden oluşmakta olup bu bölümler kendi içlerinde alt başlıklara ayrılmıştır. Giriş bölümünde öncelikle tezin amacından bahsedilmiştir. Daha sonra literatürde konu ile ilgili olan çalışmalar ayrıntılı olarak incelenmiş ve sonrasında tezin genel içeriği bölümler halinde kısaca anlatılmıştır. İlk olarak çalışmada kullanılan hesaplamalı ve deneysel yöntemler açıklanmış, yapılan bu analizlerin yakınsaması için dikkat edilmesi gereken hususlar bir liste halinde verilmiştir. Ayrıca kullanılan ticari yazılımın cisim etrafındaki direnç bileşenlerinin hesabını yaparken çözdüğü RANS denklemlerinin matematiksel olarak çıkarımı yapılmıştır. Dalga direnci hesabı için önerilen yöntem teorik ve şematik olarak verilmiştir. Bu yöntemde, tek ve çift fazlı iki adet analiz gerçekleştirilerek dalga direnci elde edilmekte olup, Prohaska yöntemi yardımıyla form faktörünün bulunmasına ihtiyaç duyulmamıştır. Batmış bir cisim için deneysel yöntem açıklanırken, cisim üzerine eksenel yönde gelen direncin hesaplanmasında izlenilen yoldan bahsedilmiştir. Daha sonra direnç hesaplamaları yapılan elipsoit, denizaltı, Wigley ve modern bir deplasman tankeri için kullanılan HAD yöntemi anlatılmıştır. İlk olarak her bir cisime ait geometriler ve ana boyutları verilmiş, daha sonra oluşturulan ağ yapıları ve numerik ayarların kurulması ile ilgili açıklamalar yapılmış ve son olarak da sonuçlar verilmiştir. Piramit ve küp elemanlardan oluşturulan ağ yapılarındaki avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. Hem zamanın kısıtlı olması hem de bilgisayar kapasitesi nedeniyle oluşturulan kontrol hacimleri “Karma” (hibrit) ağ yapısı kullanılarak modellenmiştir. Üçgen elemaların kompleks geometriler etrafında, kontrol hacminin geri kalan kısımlarında dörtgen elemanlar kullanılarak ağ yapısının oluşturulması konusu üzerinde durulmuştur. Ayrıca problemlerin çözüm şemalarının oluşturulması da tablolar halinde verilmiştir. HAD yönteminin yanısıra kullanılan deneysel yöntem de başlı başına ayrı bir tez konusu olabilecek niteliktedir. Bu çalışmanın içeriği hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle elde edilen direnç bileşenlerinin karşılaştırılması olduğu için belirsizlik analizi konusuna değinilmemiştir. Üçüncü bölüm kapsamında, batmış cisimler için İ.T.Ü Ata Nutku Gemi Model Deney laboratuvarında yapılan çekme tankı testlerinin deneysel kurulumu ve kalibrasyonu gibi işlemler sonucu alınan verilerin doğruluğu saptanmaya çalışılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar bir elipsoit modeli için farklı hız ve derinliklerde HAD sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Önceki bölümlerde anlatılmış olan hesaplamalı ve deneysel yöntemler yardımıyla elde edilen sonuçlar her bir cisim için ayrı ayrı başlıklar altında verilmiştir. İlk kısımda batmış cisimler için örnek bir problem olan elipsoit modeli için literatürdeki diğer çalışmalarla yapılan karşılaştırmalı sonuçlar verilmiştir. Daha sonra yine farklı bir boy – genişlik oranına sahip elipsoit modeli için hem HAD hem de deneysel çalışma yapılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuçların tutarlı olması ile beraber, çıplak elipsoit geometrisi üzerine yelken ve fin eklenerek yeni bir denizaltı modeli oluşturulmuştur. Eklenen bu takıntıların toplam dirençte ne kadarlık bir artışa sebep olduğu incelenmiştir. Ayrıca artan ıslak alana bağlı olarak sürtünme direncindeki değişim gözlenmiştir. Batmış cisimler için uygun sonuçlar elde ettikten sonra, önerilen yöntem serbest su yüzeyini yararak ilerleyen cisimler için literatürde deneme problemi olarak ele alınan Wigley teknesi üzerinde de uygulanmıştır. Wigley teknesi için tekne gövdesi boyunca oluşan dalga profili, basınç dağılımları ve boyutsuz dalga direnci katsayıları literatürdeki yer alan deneysel ve hesaplamalı çalışmalarla karşılaştırılmış ve potansiyel teoriye göre gayet başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Son olarak İ.T.Ü Ata Nutku Gemi Model Deney laboratuvarında deneyleri yapılmış olan tanker için direnç bileşenleri, dalga profili, tekne üzerindeki akım hatları, basınç dağılımları ve serbest su yüzeyi deformasyonları incelenmiş olup, deneysel ve hesaplamalı yöntemlerin karşılaştırılması yapılmıştır. Son bölümde ise elde edilen tüm sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. Her ne kadar bilgisayar teknolojisi yardımıyla yapılan analizler bize daha pratik ve hızlı bir çözümler sunsa da, yapılan bu numerik analizlerin belirli kabuller yaparak çözüm yaptığı unutulmamalıdır. Örneğin bu çalışmada bütün problemlerde aynı türbülans modeli kullanılmıştır. Fakat gerçekte, akışkanın Reynolds sayısına bağlı olarak türbülans şiddetinin sürekli değiştiği bilinmektedir. Bunun yanında yapılan tüm analizler zamandan bağımsız (daimi) olarak ele alınmıştır fakat gerçekte durum bundan farklıdır. Ancak bu tezde HAD ile yapılan çözümlerde elde edilen sonuçlar zamana bağlı analizler ile birbirine yakın sonuçlar verdiğinden dolayı zamandan da tasarruf edebilmek adına daimi analizler tercih edilmiştir. Sonuç olarak deneysel sonuçların doğrulanması için yapılan tüm HAD analizlerinde gerçekteki tüm fiziksel etkilerin hesaplara katılarak incelenmesi gerçek duruma bir adım daha yaklaşılmasını sağlayacaktır.
The prediction of wave resistance in naval architecture is an important aspect especially at high Froude numbers where a great percentage of total resistance of ships and submerged bodies is caused by waves. In addition; during hull form optimization, especially wave resistance characteristics of a ship must closely be observed. There are potential, viscous and experimental methods to determine the resistance components of a ship.  RANSE based methods usually follow the experimental method that determines the form factor first. However, it is proven in recent studies that the form factor changes with the Reynolds number. As the Reynolds number increases; this change in the form factor is being neglected. In this study, a RANSE based prediction of wave resistance is presented that overcomes this flaw. The methodology is validated with the submerged and surface piercing bodies for the effectiveness of the proposed method. The results reveal the robustness of the present methodology. Single-phase and multi-phase analyses have been done in this study by using the interface capturing approach that solves the RANS equations on a predetermined grid which covers the entire domain and Volume of Fluid (VOF) method to simulate the free surface flow for fully submerged and surface piercing bodies. An ellipsoid model and Wigley hull are used as benchmark problems to obtain the wave resistance and these benchmarks employed to validate the numerical resistance tests are presented. In addition to this, a total resistance estimation for an another ellipsoid which has a different aspect ratio is tried to be observed for different depths and Froude numbers by using CFD and experimental method. The comparison of these methods have been aimed to determine the accuracy of the conventional experimental method. On the other hand, a submarine model which is created by adding fins and a sail is alike with ellipsoid. The contribution of the appendages to total resistance is investigated. Only total resistance coefficients are taken into consideration for validations because the wave resistance caused by strut can not be negligible during experiments. Therefore, it is not appropriate to compare the wave resistance components. Finally, the proposed method for calculating the wave resistance was implemented on a modern displacement tanker and compared the CFD results with towing tank tests.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014
URI: http://hdl.handle.net/11527/13534
Appears in Collections:Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10041511.pdf5.67 MBAdobe PDFView/Open


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