LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19284

Gözat

Yazar "Bal, Şakir" ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    Gemi direnç ve sevk performanslarının GEOSIM yöntemi, deneysel ve hesaplamalı akışkan dinamiği ile analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-19) Delen, Cihad ; Bal, Şakir ; 508142009 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Prof. E. V. Telfer tarafından 1927 yılında ortaya atılan GEOSIM yönteminin temel uygulama alanı gemi direnci üzerinedir. Bunun için farklı ölçek değerlerine sahip geometrik olarak benzer modellerin Froude (Fr) benzerliği ile gerçekleştirilen direnç deneylerinden elde edilen toplam direnç katsayısının (CT) Reynolds (Re) sayısı ile olan ilişkisi C_T=a⁄〖〖(log〗⁡〖Re)〗〗^x +b eşitliği üzerinden belirlenir. Mevcut GEOSIM yönteminde x=1/3 kabul edilir ve en az iki farklı model deneyinden elde edilen CT değerleri kullanılarak a ve b değişkenleri hesaplanır. Ardından bu değişkenler ve ilgili geminin Re sayısı kullanılarak gemi ölçeğinde CT değeri elde edilir. GEOSIM yönteminin güvenilirliği ve doğruluğu, mevcut ITTC yöntemlerinden farklı olarak gemi direncini bileşenlerine ayırmadan incelediği ve uygulanma aşamasında kabulleri daha az olduğu için yüksektir. Fakat geometrik olarak benzer en az iki farklı model üretimi, testlerinin gerçekleştirilmesi ve verilerin işlenmesi aşamalarından dolayı bu yöntem zor ve pahalıdır. Ek olarak, model deneylerinde ortaya çıkan akış benzerliğinin sağlanamaması ve duvar etkileri gibi problemlerden dolayı bu yöntemin uygulanması kısıtlıdır. Fakat günümüzde artan hesaplama gücü ve gelişmiş çözüm yöntemleri sayesinde iki veya daha fazla sayıda farklı ölçeğe sahip modellerin hidrodinamik özelliklerinin sayısal olarak incelenmesi model deneylerine göre oldukça hızlı ve ekonomiktir. Ayrıca bu çalışmada yöntem daha hassas ve doğru sonuç verecek bir hale de uyarlanmıştır. Uyarlanmış GEOSIM yöntemi en az üç model deneyi sonucuna ihtiyaç duymaktadır. Deney sonuçları ise model deneyleriyle fiziksel olarak çekme tankında değil Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla sayısal çekme tankında gerçekleştirilen sayısal analizler neticesinde elde edilmektedir. Böylece model deneylerine göre daha ekonomik olup, zaman tasarrufu sağlamaktadır. Ardından, uyarlanmış GEOSIM yönteminin sadece gemi direnci üzerine değil, gemi formunun diğer özgün tasarım özellikleri ile Re sayısı arasındaki ilişkiyi gösterme amacıyla sistematik sayısal ve deneysel sonuçlar sunulmuştur. Böylelikle gemi ölçeği tahmininde, mevcut yöntemlere alternatif olarak GEOSIM yönteminin avantajları ve uygulanabilirliği gösterilmiştir. Bu amaç doğrultusunda akademik çalışmalarda sıklıkla kullanılan ve özellikleri itibariyle birbirinden farklı iki form tercih edilmiştir. Bu formlar tam takıntılı modern muharip bir gemi formu olan model 5613 olarak kodlanan Office of Naval Research Tumblehome (ONRT) ve modern bir Konteyner gemisi olan KRISO Konteyner Gemisi (KCS)'dir. Tam takıntılı ONRT formunun sayısal ve deneysel incelemeleri dizayn Fr sayısı olan 0.30'da gerçekleştirilmiştir. GEOSIM model ailesi üyelerinin ölçekleri, literatürde sonuçları olan λM1=48.9 ve bu çalışma için türetilen diğer ölçekler ise λM2=32.60 ve λM3=24.45 olarak seçilmiştir. GEOSIM model ailesi ve tam ölçek gemi için direnç, sevk analizleri sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Dümen takıntılı olan KCS formunun hidrodinamik incelemesi ise dizayn Fr sayısı olan 0.26'da sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. KCS formunun GEOSIM model ailesinin üyeleri literatürde deneysel çalışmaları yapılan ölçekler tercih edilmiştir. Ölçek oranları sırasıyla λM1=60.75, λM2=37.89 ve λM3=31.60 olarak seçilmiştir. Her iki formun hem model ölçeklerinde hem de tam ölçekte direnç ve sevk incelemesi sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Hem KCS hem de ONRT formlarının GEOSIM yönteminin ihtiyaç duyduğu üç model deneyi sonuçları kullanılarak tam ölçek formlarına ait sonuçlar uyarlanmış GEOSIM yöntemi ile tahmin edilmiştir. Her bir formun model değerleri ITTC prosedürleri ile ayrı ayrı tam ölçek sonuçları tahmin edilmiştir. Son olarak GEOSIM ve ITTC yöntemlerinden elde edilen sonuçlar tam ölçekte gerçekleştirilen HAD analizi ile karşılaştırılmıştır. İTÜ Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarında ONRT formunun temel hidrodinamik özelliklerinin belirlenmesi için deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. ONRT formunun takıntısız formundan başlayarak her bir takıntı eklenerek direnç üzerinde takıntı etkisi incelenmiştir. Fr=0.20'de toplam direncin %79.21'ini takıntısız gövde, %7.10'unu dümenler, %8.78'ini şaftlar ve braketler, 4.91'ini ise yalpa omurgası oluşturmaktadır. Fr=0.30'da ise toplam direncin %81.27'ini takıntısız gövde, %4.30'unu dümenler, %10.09'unu şaftlar ve braketler, 4.34'ünü ise yalpa omurgalarından oluşturmaktadır. Nihai inceleme koşulu olan takıntılı ONRT formunun tekrarlı testleri neticesinde belirsizlik analiziyle birlikte toplam direnci Fr=0.20'de (RT) 4.615 ± %1.098 N, Fr=0.30'da ise RT değeri 11.121 ± %0.636 N olarak ölçülmüştür. ONRT modelinin İTÜ – AN'de ve IOWA – IIHR'de farklı zamanlarda farklı ölçüm sistemleriyle gerçekleştirilen direnç deneylerinin sonuçlarının kıyaslandığında ise Fr=0.20'de bağıl fark değeri %0.96 iken, Fr=0.30'da bağıl fark değeri -%0.34'tür. Takıntılı ONRT modelinin beş Fr sayısı için iki farklı boyuna düzlemden (y=0.49 m (y/LWL=0.1557) ve y=1.14 m (y/LWL =0.3623)) dalga yükseklikleri deneysel olarak ölçülmüştür. Bu çalışma ile ONRT'nin deneysel olarak ilk defa dalga yükseklikleri ölçülerek literatüre kazandırılmıştır. ONRT formunun İTÜ-AN'de pervane diskine gelen akış kalitesini ve özelliklerini incelemek için bilgisayar kontrollü bir pitot tüpü ile nominal iz ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Fr=0.20 için nominal iz katsayısı (wn) 0.919 olarak hesaplanırken, Fr=0.30 için wn değeri hafif bir artışla 0.934 olarak hesaplanmıştır. ONRT gövde formunun tekrarlı sevk testleri sonucunda Fr=0.20 için ONRT formunun sevk noktası 9.007 1/s, Fr=0.30 için ONRT formunun sevk noktası 14.103 1/s olarak ölçülmüştür. Fr=0.20'deki sevk noktası (n) değeri IIHR'in sevk noktası sonucundan %0.41 farklıyken, Fr=0.30'daki sevk noktası ise %2.90 farklıdır. Laboratuvarlar arası karşılaştırma sonucunda deneylerin tekrar üretilebilirliğinin yüksek olduğu ve elde edilen sonuçların literatürle uyumlu olduğu görülmüştür. Dümen takıntılı KCS formunun GEOSIM yöntemi ile elde edilen tam ölçek CTS değeri tam ölçek HAD analizi sonucundan %0.53 farklı olarak tahmin edilmiştir. GEOSIM model ailesinin her bir modeli tekil olarak ITTC prosedürleri uygulanarak tam ölçeğe ekstrapole edildiğinde ise CTS değerleri tam ölçek HAD sonucu ile yaklaşık %4.7-%5.0 farklı olarak tahmin edilmiştir. Tam takıntılı ONRT formunun GEOSIM model ailesinin sonuçlarından yola çıkarak tahmin edilen tam ölçek ONRT'nin CTS değeri GEOSIM yöntemiyle tam ölçek HAD analizi sonucundan %0.68 farklı tahmin edilmiştir. ONRT'nin GEOSIM modellerinin sonuçları tekil olarak tam ölçeğe ITTC prosedürleri ile aktarıldığında ise %-2.65 ile %-3.79 arası farkla tahmin edilmiştir. GEOSIM yönteminin, konvansiyonel ITTC yöntemine göre tam ölçek formun direnç karakteristiklerini belirlemede bariz üstünlüğü sayısal olarak gösterilmiştir. Model ailesinin anahtar parametresi ile Re sayısı arasındaki ilişkisiyi inceleyen GEOSIM yönteminde bu sefer anahtar parametre nominal iz karakteristiği (wn) seçilmiş ve GEOSIM yönteminin kabiliyeti incelenmiştir. Nominal iz, pervane hareketi veya pervane varlığı olmadan pervane düzlemine gelen akım olarak ifade edilir. GEOSIM model ailesinin ve tam ölçek KCS'nin x/LBP=0.9825'ine pervane çapı büyüklüğünde bir zahiri disk yerleştirilmiş ve eksenel hızlar sayısal olarak ölçülmüştür. GEOSIM yöntemi model ailesinin sonuçlarından yola çıkarak tam ölçekli KCS formunun nominal iz katsayısını tam ölçek HAD sonucuna %0.53 farkla tahmin etmiştir. Benzer inceleme bu sefer tam takıntılı ONRT formu için gerçekleştirilmiştir. GEOSIM model ailesi ve tam ölçek ONRT'nin pervane merkezi olan x/LWL=0.9267, y/LWL=±0.02661 ve z/LWL=-0.03565 ilgili formun pervane çapı kadar olan bir alanda nominal iz özellikleri sayısal olarak ölçülmüştür. GEOSIM yöntemi ile ONRT formunun nominal iz özelliklerini ise tam ölçek HAD sonucuna kıyasla %0.71 farkla tahmin etmiştir. GEOSIM yönteminin hem takıntısız hem de takıntılı form incelemelerin de başarılı sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Bu çalışma ile nominal iz özellikleri üzerindeki ölçek etkisi nicelik olarak sunulmuş ve modelden gemiye nasıl değiştiği başarılı bir şekilde gösterilmiştir. GEOSIM yönteminin temel gemi hidrodinamiği konularında/problemlerinde uygulanabilirliğinin araştırılmasına bu kısımda gemi-pervane uyumunu gösteren gemi efektif iz özelliklerinin (wT) tahmini incelenmiştir. Dümen takıntılı KCS formunun direnç karakteristiklerinin tahmininde kullanılan model ailesi ve tam ölçeği bu sefer KP505 pervanesiyle donatılıp sevk özellikleri HAD yöntemiyle belirlenmiştir. KCS formunun sayısal olarak hesaplanan tam ölçek wT değeri, GEOSIM yöntemiyle %2.42 bağıl farkla tahmin edilirken 1978 ITTC yöntemine göre ise %11.00 ile %25.00 arası bağıl farklarla tahmin edilmiştir. GEOSIM yönteminde viskoz etkilerin sonuçlar üzerindeki etkisini 1978 ITTC yöntemine göre daha başarılı bir şekilde incelediği ortaya konmuştur. Çalışmanın son uygulaması ise GEOSIM yönteminin gemi performans karakteristikleri üzerinde davranışının detaylı olarak incelenmesidir. Bu amaçla direnç karakteristiklerinin tahmininde kullanılan GEOSIM model ailesi ve tam ölçek ONRT pervanesi ile donatılmış ve sevk testleri sayısal olarak Fr=0.30 için icra edilmiştir. Serbest çalışma koşulunda (free-running) itme kuvveti formun direnç kuvveti ile dengelendiği yerdeki sevk karakteristikleri (devir, itme ve moment) sayısal olarak ölçülmüştür. Ayrıca tam ölçek ONRT'nin sevk performansının 1978 ITTC prosedürü ile tahmini için sevk analizleri model deneylerine benzer olarak yüzey sürtünme düzeltmesi (FD kuvveti) de hesaplamalara dahil ederek tekrarlanmıştır. Sonuçlarda ise hem GEOSIM yöntemi hem de 1978 ITTC yöntemi, tam ölçek ONRT'nin istenen hızda sevk etmesi için gereken pervane devir hızını (nS) başarıyla tahmin etmiştir. Tam ölçek ONRT'nin KTS değerini GEOSIM yöntemi %0.50 farkla tahmin ederken, 1978 ITTC yöntemleri ise %3.00 civarı bir farkla tahmin etmiştir. Tam ölçek ONRT'nin KQS değerini GEOSIM yöntemi ile %0.80 farkla tahmin ederken, 1978 ITTC yöntemi %20.00 civarı büyük bir farkla tahmin etmiştir. Telfer'in GEOSIM yöntemi, bir geminin itme özelliklerini tahmin etmek için 1978 ITTC yöntemiyle benzer kesinliğe sahip olsa da moment özelliklerini tahmin etmede ITTC yöntemine göre daha güvenilir ve doğru sonuçlar sağladığı görülmüştür. GEOSIM yöntemi uygulaması sadece çıkış noktası olan gemi direnci konusunda değil aynı zamanda diğer gemi hidrodinamiği konularında (İz, sevk vs.) da uygulanabilirliği bu çalışma sayesinde gösterilmiştir. Böylece hem mevcut yöntemlere göre daha az kabulleri olan bir yöntemin genel uygulanabilirliği, sınırları gösterilmiş ve mevcut yöntemlere alternatif olarak sunulmuştur. Artık bu çalışma sayesinde HAD tabanlı uyarlanmış GEOSIM yönteminin deney ihtiyacını azalttığı ve mevcut yönteme alternatif olarak kullanabileceği gösterilmiştir.
  • Öge
    Jenerik denizaltı geometrisinin katsayı tabanlı manevrakarakteristiklerinin had ve analitik çözüm yöntemleri ile analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-11) Kırıkbaş, Oğuzhan ; Bal, Şakir ; 508162012 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Bu çalışma kapsamında bir sualtı aracının dalmış durumda altı serbestlik dereceli manevrasının katsayı tabanlı bir manevra modeli kullanılarak analiz edilebilmesi için gerekli olan tüm hidrodinamik katsayıların tek bir kontrol hacmi ve hesaplama ağı kullanılarak hesaplanması amaçlanmıştır. Kullanılan ağ yapısı altıyüzlü hücrelerden oluşan bir arka plan ağı ve denizaltıyı da içeren küre şekilli bir overset ağ bölgesinden oluşmaktadır. Hidrodinamik katsayı türlerinin bir kısmı denizaltının dinamik hareketlerinin analiz edilmesini gerektirirken, diğer bir kısmı ise analizin ön işlem safhasında aracın oryantasyonunun değiştirilmesini gerektirir. Bu hali ile manevra katsayılarının HAD ile hesaplanması için zamana bağlı analizlere olduğu kadar, zamandan bağımsız analizlere de ihtiyaç duyulduğu söylenebilir. Bir diğer katsayı kategorisi ise dönme hareketine bağlı katsayılardır. HAD ortamında bu katsayılar dönme hareketinin zamana bağlı olarak simüle edilmesi yolu ile hesaplanabilirler. Bir diğer hesaplama yöntemi ise akışı kontrol eden denklemlerin Coriolis ve merkezkaç (santrifüj) kuvvetlerini içerecek şekilde değiştirilmesi yolu ile yapılan zamandan bağımsız analizlerdir. Bu çalışmanın hedeflerinden birisinin hesaplama kaynaklarının etkin kullanımı olduğu göz önüne alındığında çalışma kapsamında ikinci yöntem tercih edilmiştir. Buna göre doğrusal hız değişimlerinin kuvvet ve momentler üzerindeki doğrusal ve doğrusal olmayan etkilerini temsil eden sönümleme katsayıları hesaplama ağının küresel overset bölgesinin analiz öncesi akışa kıyasla oryantasyonu değiştirilerek zamandan bağımsız olarak hesaplanmıştır. Yatay ve düşey düzlemde ayrı ayrı yapılan bu analizlerin sonuçlarından türetilen doğrusal ve doğrusal olmayan katsayıların deney sonuçları ile ileri seviyede uyumlu olduğu görülmüştür. Kontrol yüzeylerinin hareketleri ile ilişkili manevra katsayıları analiz edilen yüzeyin belirli bir açı aralığını kapsayacak şekilde çekme simülasyonları vasıtası ile yapılmıştır. Doğrusal ve doğrusal olmayan kontrol yüzeyi katsayıları için HAD ile elde edilen sonuçların deney sonuçları ile tutarlı olduğu görülmüştür. Açısal hız değişiminin kuvvet ve momentler üzerindeki doğrusal ve doğrusal olmayan etkileri ile açısal-doğrusal hız etkileşimlerinin benzer etkilerini temsil eden dönme hareketine bağlı katsayılar küresel overset bölgesini de içine alan daha ve L model boyu olmak üzere 2L yarıçapındaki bir ağ bölgesinde akışı kontrol eden denklemlere dönme hareketinin merkezine göre modifiye edilmiş Coriolis ve satrifüj kuvvetler ilave edilerek ve zamandan bağımsız olarak hesaplanmıştır. Bu yaklaşım Hareketsiz (Donmuş) Rotor (frozen rotor) veya Çoklu Referans Eksen Takımı (Multiple Reference Frame-MRF) olarak bilinir ve turbo makinelere ilişkin analizlerde sıklıkla kullanılır. MRF yaklaşımının dairesel kesitli olmayan bir kontrol hacminde kullanılabilmesi için analizlerde dönme hareketinin merkezi kontrol hacminin merkezinden araç üzerinde bir noktaya taşınmıştır. Söz konusu bu değişikliğin akışa olan etkileri matematiksel olarak ifade edildikten sonra akışı kontrol eden denklemlerdeki kaynak terimi (Coriolis ve santrifüj etkiler) hesaplanan kaynak terimi ile değiştirilmiştir. OpenFOAM yazılımı özelinde söz konusu bu işlem yazılımın açık kaynak mimarisinden istifade edilerek kullanılan çözücünün kaynak kodlarının değiştirilmesi ile kolayca yapılabilmiştir. MRF yaklaşımı cismin hareketinin doğrudan modellenmesi yerine bu hareketin etkilerinin akışı kontrol eden denklemlere ilave kaynak terimleri ile dahil edilmesi varsayımına dayandığından bu varsayımın doğası gereği bir miktar hata içermektedir. Bu hatanın ve dönme merkezinin taşınmasından kaynaklanan hatanın etkileri analiz sonuçlarından görülebilmektedir. Kullanılan yöntem rotasyonel hareketten kaynaklanan kuvvet ve momentleri olduğundan büyük/küçük tahmin etse de kuvvet ve momentlerin dönme yarıçapına bağı değişim trendlerinin dolayısı ile bu analizlere ilişkin hidrodinamik katsayıların deneysel verilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Kuvvet ve momentlerin açısal/doğrusal hızlara bağlı değişim verisinden hidrodinamik katsayıların belirlenmesinde en küçük kareler yöntemi kullanılmıştır. HAD analizlerinin doğrulanması ise literatürde kabul gören büyüklüklere (Cp, Cf ve Cd gibi) ait HAD sonuçlarının yine literatürde mevcut deney sonuçları ile karşılaştırılması suretiyle yapılmıştır. Çekme tankı ve döner kol mekanizması simülasyonları aracın 3 m/s hız değeri için yapılmıştır. Doğrusal ve açısal ivmelenmeye bağlı katsayılar ise küresel overset ağ kısmının arka plan ağına göre salınımlı hareket ettirilmesi suretiyle zamana bağlı olarak icra edilmiştir. Bu kategorideki yalın dalıp çıkma, yalın yunuslama ve yalpa modlarında icra edilmiştir. Tüm analizler DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) Suboff AFF-8 konfigürasyonu üzerinde icra edilmiş ve DTRC (David Taylor Research Center) geliştirilmiş manevra modelindeki tüm katsayıların hesaplanabilmesi hedeflenmiştir. Söz konusu geometri deneysel ve hesaplamalı çalışmalar için bir forum niteliğinde olduğundan mevcut çalışmanın boyutunda HAD analizleri için gerekli deneysel karşılaştırma/doğrulama verisi yalnızca DARPA Suboff konfigürasyonları için erişilebilir seviyededir. Çalışmanın bahse değer bir diğer amacı da açık kaynak kodlu HAD yazılımlarının yüksek başarımlı hesaplama kabiliyetleri ile birlikte kullanılması ve böylece bu yazılımların etkinliklerinin sergilenerek akademik alanda kullanımlarının yaygınlaşmasına vesile olunmasıdır. Bu kapsamda tüm hesaplamalar OpenFOAM yazılımı kullanılarak İstanbul Teknik Üniversitesi Ulusal Hesaplama Merkezi (İ.T.Ü. UHeM) bünyesinde icra edilmiştir. Hesaplama ağları OpenFOAM yazılımının bir parçası olan ve düzgün altıyüzlü ağ oluşturma algoritması olan snappyHexMesh ile oluşturulmuştur. Bu ağ yapısında arka plan ağı 28L x17D x 17D boyutlarındadır. Küresel overset ağ bölgesi ise 1.2L yarıçapındadır. Kullanılan ağ toplamda yaklaşık 24 milyon hücreden oluşmaktadır. Hesaplamalarda kullanılan k-ω SST türbülans modelinin denizaltı yüzeyine komşu sınır tabaka bölgesi ağına ilişkin gereksinimleri karşılamak üzere boyutsuz duvar mesafesinin (y+) tüm hesaplama senaryoları için birden küçük olması sağlanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında hesaplanan katsayılar ve DTRC manevra modeli kullanılarak yatay ve düşey düzlemde ITTC tarafından önerilen belirleyici manevralar icra edilmiştir. Bu manevralardan bir kısmının kapalı form (analitik) çözümleri mevcuttur. Analitik çözüm yöntemleri temelde enerji ve momentumun korunumu gibi korunum yasalarına dayanan yöntemler olup ivmelenme-durma ve yatay-düşey düzlemde dönüş manevrası gibi manevralar için türetilmiştir. Hesaplanan katsayılar ile elde edilen analitik çözümler literatürde mevcut takip moddlu manevra analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın bu kısmı deney ikamesi olarak yapılmıştır. Böylece analitik çözüm yönteminin sayısal ortamda yapılan manevra simülasyonlarının geçerleme çalışmaları açısından önemi ortaya konmuştur. Bir sualtı aracına ait manevra katsayılarının HAD ortamında tek bir kontrol hacmi ve hesaplama ağı kullanılarak hesaplanabilirliği bu çalışma ile gösterilmiştir. Böylece bu alandaki genel geçer HAD uygulamalarının gereksinim duyduğu karmaşık ön işlem adımları sadeleştirilerek hesaplama kaynağı ve zamandan tasarruf sağlanabileceği gösterilmiştir. Çalışma sonuçlarının gerek hidrodinamik katsayılar özelinde gerekse de belirleyici manevra yörüngeleri özelinde literatür sonuçları ile tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Uygulamanın bir diğer avantajı ön işlem adımında insan girdisini azaltarak hataların önüne geçilmesine vesile olmasıdır.
  • Öge
    Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-15) Karaalioğlu, Mehmet Salih ; Bal, Şakir ; 508152008 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Endüstriyel üretimdeki artış, dünya nüfusunun hızla artması, gelişen teknoloji ve insanların yaşam standartlarının artması; büyük miktarda enerji ihtiyacını beraberinde getirir. Günümüzde artan enerji talebinin karşılandığı birinci kaynak fosil yakıtlar özellikle petroldür. Fakat artan bu talebi kısıtlı ve tükenen fosil kaynaklarla temin etmenin uzun vadede mümkün olmayacağı açıktır. Fosil yakıt kullanımının doğa üzerindeki olumsuz etkileri (iklim değişikliği, hava kirliliği, küresel ısınma, çevre kirliliği, $\mathrm{CO}_2$ emisyonu vb.…) son yıllarda insanlar tarafından daha görünür hale gelmekte ve toplumların refahını önemli ölçüde etkilemektedir. Fosil yakıtları çevreye olan olumsuz etkileri, uluslararası anlaşmalar ile gelen yükümlülükler, ülkelerin enerji güvenliği ihtiyacı ve sürdürülebilirlik; yenilenebilir enerjiye olan yönelimin ana nedenleridir. Ülkemizde de sürdürebilir kalkınmanın ve enerji güvenliğinin sağlanabilmesi için yenilenebilir enerji kaynaklarını verimli bir şekilde kullanması mecburidir. Ülkemizde kullanılan yeşil enerji kaynakları rüzgar, jeotermal, güneş, hidroelektrik ve dalga enerjisi olarak sıralanabilir. Ülkemiz için temel hedef, bu sıralanan enerji kaynaklarını en verimli şekilde kullanarak yeşil enerjinin toplam enerji üretim oranını artırmaktır. Türkiye üç tarafı denizlerle çevrili ve 8 bin 333 km kıyı şeridine sahiptir. Fakat denizlerimizin sahip olduğu büyük ve sürekli enerji potansiyelinden olması gerektiği gibi yararlanamadığı görülür. Bu nedenle denizlerin sahip olduğu yeşil enerji ile alakalı her türlü çalışmanın teşvik edilip desteklenmesi geleceğimiz için elzemdir. Denizde büyük bir enerji potansiyeline sahip akım enerjisini kullanılabilir enerjiye çeviren birçok sistem vardır. Bu sistemlerden en yaygın kullanılanı sualtı akıntı türbinleridir. Su altı akıntı türbinleri, akımın sahip olduğu kinetik enerjiyi mekanik torka çeviren sistemlerdir. Dönme ekseni ile akım yönünün birbirlerinin konumuna göre iki tipe ayrılır. Akım yönü ile dönme ekseni birbirlerine paralel ise yatay eksenli, akım yönü ile dönme ekseni birbirine dik ise dikey eksenli su altı akıntı türbini olarak sınıflandırılır. Yüksek verim, düşük bakım maliyeti, düşük tork dalgalanmaları gibi avantajlara sahip olmasından dolayı yatay eksenli türbinlerin dikey eksenli türbinlere oranla kullanımı daha yaygındır. Bu çalışmada ele alınan tüm sualtı akıntı türbin modelleri yatay eksenli tiptedir. Sualtı akıntı türbinlerinin çalışma prensipleri rüzgar türbinleri ile benzerdir. Bu nedenle rüzgâr türbinleri ile alakalı yapılan çok sayıda çalışmadan elde edilen bilgiler ve kullanılan yöntemler sualtı akıntı türbinlerine de uygulanabilir. Rüzgar türbinleri ile sualtı akıntı türbinlerinin benzer çalışma mekanizmasına sahip olmasına karşın farklı türbülans yoğunluklarında çalışması, çalıştıkları akışkan özellik farkları ve kavitasyon oluşumu aralarında en belirgin ve dikkat edilmesi gereken farklılıklardır. Geliştirilen sayısal analiz araçlarında en önemli hedef, matematiksel yöntemin gerçek durumu en doğru şekilde modelleyebilmesidir. Bu nedenle kavitasyon olgusunun yönteme dahil edilmesi sayısal aracın doğruluğu açısından çok önemlidir. Çalışmada rüzgâr türbinlerinin performans analizlerinde de sıklıkla kullanılan momentum kanat elemanı yöntemi kullanılmıştır. Momentum kanat elemanı yöntemi, momentum yöntemi ve kanat elemanı yönteminin birleşiminden oluşmaktadır. Kanat elemanı yönteminde kanat kökten uca doğru belirli sayıda bölüme ayrılır. Her bir parçadan elde edilen itme ve tork değerleri hesaplanıp kanat boyunca integre edilir. Böylece rotora ait toplam itme ve tork değerleri hesaplanır. Yöntem çalışırken kanat kesitlerine ait kaldırma ve direnç kuvveti katsayılarını kullanır. Bu değerlerin doğruluğu, yöntem sonuçlarını doğrudan etkiler. Literatürde yapılan çalışmalarda kaldırma ve direnç kuvvet değerleri genellikle panel yöntemleri ile hesaplanır. Tez çalışmasında bu değerler panel yönteminin yanı sıra HAD analizleri ile de hesaplanmıştır. Bu kesitlere ait akım karakteristikleri kavitasyonlu durum altında hesaplanırsa kavitasyon olgusu ve lineer olmayan viskoz etkiler kanat elemanı yöntemlerine dahil edilmiş olur. Oluşturulan kanat elemanı yöntemi kodunun doğrulamasını yapmak için deney verileri olan üç tane sualtı akıntı türbini seçilmiştir. Bu üç türbin farklı çaplarda ve sırasıyla iki, üç ve dört kanatlıdır. Bu türbinlere ait kesit karakteristik değerler panel yöntemi ve iki boyutlu HAD analizleri ile hesaplanmıştır. Kanat elemanı yöntemi ile farklı uç hız oranlarına karşılık boyutsuz güç ve itme katsayıları elde edilmiş, elde edilen bu sayısal değerleri deney değerleri ile kıyaslanarak, oluşturulan matematiksel modelin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu kavitasyon yapan kesitler için HAD analizleri OpenFOAM programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM kütüphanesi C++ programlama dili ile hazırlanmış sonlu hacimler yöntemini kullanan açık kaynaklı bir programdır. İki boyutlu ağ yapıları ise düzgün yapıda ve C-tip hesaplama alanı topolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. Türbülanslı akım tüm analizlerde SST k-$\omega$ yaklaşımı ile modellenmiştir. Ağ örgüleri türbülans modeli gereksinimlerine uygun olarak ($\mathrm{y}^+$<1) hazırlanmıştır. Kavitasyon modeli olarak Schnerr-Sauer seçilmiştir. Zamandan bağımsız analizlerde, zaman adımı program tarafından CFL<1 koşuluna uygun şekilde her hesaplama adımı için hesaplanmıştır. Kavitasyonlu durum altında kanat elemanı yöntemi ile incelenen türbin kanat kesit geometrisi NREL S814 geometrisine ait kavitasyonlu deney sonuçları literatürde mevcut değildir. S814 geometrisine ait kavitasyonlu HAD analizlerine geçmeden önce seçilen HAD şemalarının ve ağ yapılarının doğruluğu, literatürde deney verileri olan ve sıklıkla kullanılan vakalarla yapılmıştır. Bu amaçla üç farklı kavitasyonlu durum incelenmiştir. Bunlar küre başlı geometri, NACA 66 geometrisi ve Clark-Y geometrisidir. Küre başlı geometride analizler $0.2\leq\sigma \leq0.5$ aralığında üç farklı kavitasyon sayısı için gerçekleştirilmiştir. Geometri üzerindeki basınç dağılımı ve kavitasyon şekli deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, NACA 66 geometrisi için kavitasyon analizleri $0.84 \leq \sigma \leq1.0$ durumları için gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan kaldırma ve direnç kuvveti katsayıları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. NACA 66 ve küre başlı geometriye ait analizlerde kavitasyon hacmi analiz zamanı ilerledikçe büyür, bir süre sonra belli bir değer etrafında çok küçük salınım yapar. Geometri üzerinde sabit bir kavitasyon oluşumu görülür. Clark-Y geometrisinde ise bu iki durumdan farklı olarak kavitasyon oluşur, farklı formlara dönüşür ve yok olur. Daha sonra bu çevrim tekrar eder. Clark-Y geometrisine ait bir çevrim boyunca okunan ortalama kaldırma ve direnç kuvveti değerleri ve ortalama basınç değerleri deney verileri ile kıyaslanmıştır. İncelen bu üç durum sonucunda elde edilen sayısal sonuçların deney verileri ile makul bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Böylece kavitasyonlu analizlerde seçilen çözüm şemalarının ve zaman adımlarının doğrulaması yapılmıştır. Bu analiz kurulumu kullanılarak geniş bir Reynolds ve kavitasyon sayısı aralığında NREL S814 kavitasyonlu kesit vaka analizleri yapılmış, kanat elemanı yönteminde kullanılmak üzere kaldırma ve direnç kuvveti katsayı tabloları oluşturulmuştur. BEMT yöntemi ile üç farklı türbin geometrisi incelenmiştir. Bu türbinlerden biri üç boyutlu olarak modellenmiş ve çalışmada daha önce yapılan HAD analizlerinden farklı olarak geometrinin tamamı HAD analizinde incelenmiştir. Analizlerde kavitasyonsuz durum geçerlidir. Türbinin dönme hareketi MRF yöntemi ile modellenmiştir. Türbülans modeli olarak k-$\omega$ seçilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar, deney ve daha önce yapılan sayısal çalışma sonuçları ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Ayrıca türbin modeline ait hidrodinamik performans değerleri deneysel olarak da incelenmiştir. Deneysel çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı Çekme Tankı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmanın ilk adımında üç boyutlu çizim programı ile ölçeklendirilmiş türbin model geometrileri hazırlanmış ve üç boyutlu yazıcıda fiber filament kullanılarak üretilmiştir. 15 cm ve 18 cm çaplı iki ve üç kanatlı olmak üzere 4 adet türbin modeli üretilmiştir. Daha sonra uygun bir gemi modeli seçilmiş, bu gemi modelinin baş kısmından şaft çıkarılarak türbin monte edilmiştir. Deneysel çalışmada açık su pervane deney prosedürü takip edilmiştir. Akım hızı yani model araba hızı sabit tutulup, elektrik motoruna bağılı türbinin devir sayısı değiştirilerek istenen uç hız oranı değerleri elde edilmiştir. Tüm deney boyunca dinamometre ile itme ve tork değerleri anlık kaydedilmiştir. Geniş bir uç hız oranı aralığında güç ve itme katsayı değerleri hesaplanmış, sonuçlar literatürde bulunan deneysel ve sayısal çalışmalar ile mukayese edilmiştir. Son bölümde ise tez sonucunda elde edilen sonuçlar ayrıntılı bir şekilde yorumlanmıştır. Bu konu başlığı altında gelecekte yapılabilecek çalışmalara önerilerde bulunulmuştur.