LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

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

Gözat

Konu "Pervaneler" ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    Kriging interpolasyonu kullanan vekil modeller ile gemi kıç formunun viskoz direnç yönünden optimizasyonu
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Pehlivan Solak, Hayriye ; Gören, Ömer ; 656916 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
    Deniz taşımacılığı; dünya ticaret hacmi içerisinde büyük pay sahibi olması sebebiyle emisyon miktarları ve enerji verimliliği açısından mercek altındadır. Günümüzde Uluslararası Denizcilik Kurumu (IMO) zorunluluğu olan Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI) gemilerin yakıt verimliliğinin artması ve dolayısıyla yakıt tüketiminin azalması için form optimizasyonunu zorunlu kılmaktadır. Bu zorunluluğu CO2 emisyonlarını denetleyerek gerçekleştirmektedir. Dolayısıyla teknenin enerji verimliliği her yeni tasarım için güncelliğini koruyan bir araştırma konusu olmaktadır. Teknenin form optimizasyonu birbirini olumlu ya da olumsuz etkileyebilen parametre ve kısıtlarla bir arada çalışmayı gerektiren karmaşık bir problemdir. Özellikle viskoz etkilerin hakim olduğu kıç form odak olarak alındığında; hem minimum viskoz direnç, optimum pervane tasarımı için akım düzgünlüğü gibi farklı hedeflerin bir arada olması hem de gürültü ve titreşim gibi teknenin ömrü boyunca maruz kalabileceği fiziksel problemlerin de incelenmesini gerektirmesi lokal olarak form optimizasyonu problemini zorlaştırmaktadır. Form optimizasyon çalışmalarında güçlü bir araç olarak kullanılan deneysel yaklaşım, finansal bütçe ve ölçek etkisinin yarattığı sorunlar göz önüne alındığında zorluklar da içermektedir. Buna karşılık sayısal tekniklerle çözüm imkânlarının zaman içinde gelişme göstermesiyle birlikte hesaplamalı yöntemler form araştırma/iyileştirme çalışmalarında daha fazla kullanılır hale gelmiştir. Son dönemde, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemlerinin form optimizasyonu çalışmalarında birden fazla varyant söz konusu olduğunda hata mertebesi açısından kabul edilebilir limitler ve makul bir çözüm süresi içinde kalıyor olması bakımından tercih edilmektedir. Bu noktada optimizasyon sürecine, en iyi forma daha hızlı sürede karar verebilmek için, farklı vekil model yöntemleri dahil olmuştur. Farklı varyant sonuçları HAD ile elde edilerek en iyi formun belirlenebilmesi için vekil model yöntemlerini kullanmak tasarım süreci açısından önemli ölçüde kazanç sağlamaktadır. Vekil model yöntemleri bir interpolasyon tekniği olup giriş bilgisi ile çıktı arasında ilişki kurulabilmesi için deneysel tasarım uzayının yeterli sayıda analiz ile beslenmiş olması gerekir. Daha özet bir ifade ile vekil model yöntemi girdi olarak tanımlanan farklı formlara karşılık istenilen çıktı bilgisini, örneğin; direnç değerlerini ilişkilendirerek minimum dirence karşılık gelen formun elde edilmesinde önemli işlev görür. Dolayısıyla çok sayıda varyant için kabul edilebilir sürede sonuç elde edilebilen sayısal çözücülerden yararlanılarak aday formların analizleri yapılır ve vekil modeli beslemede kullanılır. Daha önce de değinildiği gibi deneysel çalışma hâlihazırda uzlaşılmış bir veya az sayıda aday için bütçe ve zaman açısından makuldür. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile deney uzayı yaratılıp vekil modeller aracılığı ile varyantların geometrisi ve hidrodinamik sonuçları arasındaki ilişki elde edilerek optimum modelin belirlenmesi doğru yaklaşım olacaktır. Günümüzde vekil model tekniği için henüz fikir birliğine varılabilmiş tek bir yöntem ya da yaklaşım bulunmamaktadır. Kullanılan yöntemlerin birbirlerine göre avantaj ya da dezavantajları mevcuttur. Bu sebeple farklı alanlardan pek çok araştırmacı halen yöntemlerin parametreleri üzerinde çalışmaya, vekil model kurulumunda kullanılan bilgileri arttırmaya ya da bilgilerin birbirleriyle farklı ilişkilerini de dâhil etmeye çalışarak yeni vekil modeller denemektedirler. Vekil model tabanlı optimizasyon yöntemi gemi dizaynı açısından çok farklı potansiyel uygulama alanlarına sahiptir. Bu tez çalışması kapsamında vekil model yöntemi kullanılarak minimum viskoz direnç açısından kıç form optimizasyonu için bir metodoloji oluşturulması amaçlanmaktadır. Bu çalışmada viskoz etkilerin hâkim olduğu kıç forma odaklanılmıştır. Bu problem vekil model uygulamayı gerektiren ve makul bir sürede çözülmesi önem arz eden, başka bir ifadeyle hesaplanması zaman alıcı viskoz etkiler içeren bu sebeple çözüm süresi önemli bir kısıt oluşturan gemi dizaynı açısından oldukça önemli bir optimizasyon problemidir. Doktora çalışmasının hedefi vekil modeller aracılığı ile gemi kıç formunu optimize edecek algoritma geliştirmek, böylesi problem için metodoloji sunmaktır. Başlangıçta analitik fonksiyonlar üzerinde farklı vekil model teknikleri ve Kriging'in farklı türleri ile çalışılmaya başlanmış bu süreçte edinilen tecrübeyle Kriging vekil model yöntemi bir baz fonksiyonu olarak ele alınıp, ayarlanabilir parametreleri optimize edilerek gemi kıç formu optimizasyonu problemine geçilmiştir. Farklı mühendislik alanlarında Kriging uygulamalarına bakıldığında yöntemin hata tahmini üretebilmesi çok boyutlu problemlerdeki başarısı da bu yöntemi ayrıcalıklı kılmaktadır. Bu sebeple, Kriging vekil model tekniği günümüzde hala pek çok araştırma grubu tarafından geliştirilmeye devam edilmektedir. Örneklem uzayının etkisi, variogram uygulamalarındaki değişiklikler, algoritma bilgisine birinci ve ikinci türevlerin bilgisinin dâhil edilmesi gibi pek çok farklı başlıkta araştırma ve model geliştirme süreçlerine devam edilmektedir. Bu nedenle çok boyutlu ve böylesi zaman alıcı gemi kıç form optimizasyon problemi için Kriging uygun bir araç olarak belirlenmiştir. Vekil model teknikleri, uygulandığı problemin bağlısı olarak farklı performans sonuçları üretirler. Daha önce de belirtildiği gibi hâlihazırda geliştirilen hiçbir vekil model tekniği farklı mühendislik problemlerine aynı verimlilikte uygulanabilir hale getirilememiştir, dolayısıyla geliştirilmeye açıktır. Farklı problemlerde kullanıldıkça temsil yeteneğinin tasarım uzayına ne ölçüde bağlı olduğu daha net anlaşılmaktadır. Özellikle lineer olmayan çok doruklu optimizasyon problemlerinde kullanılan boyutun önemli ölçüde etkisi bulunmaktadır. Başlangıçta analitik fonksiyonlar üzerinde çalışmaya başlanmış ve tekniğin ayarlanabilir parametreleri optimizasyonu ile temsilin hata mertebesi düşürülmüştür. Farklı fonksiyonlar ele alınarak öncelikle Kriging için konumsal bağlılık araştırılmış ve sonuçlara dair değerlendirmelerle sunulmuştur. Kriging uygulanırken en büyük olabilirlik kestirimi (Maksimum Likelihood Estimation - MLE) eklenerek model parametreleri için optimizasyon yapılmıştır. Hem kullanılan model parametreleri üzerine çalışılarak hem de uygulama bölgesi belirlenirken gerçekleştirilen duyarlılık çalışması temsil yeteneğini iyileştirmiştir. Bu çalışmada tasarım uzayı boyutu çok boyutlu analitik fonksiyonların temsili sürecinden edinilen tecrübeyle 6 olarak belirlenmiştir. Vekil model uygulamalarında problemin boyutunun kullanılan vekil model tekniğinin performansı üzerinde önemli etkisi vardır. Bununla ilgili olarak yöntemin geliştirildiği bölümde farklı boyutlarda analitik fonksiyonlarda tekniğin temsil yeteneğine ilişkin sonuçlara dair değerlendirmeler mevcuttur. Vekil modelin eğitilmesi için viskoz etkiler de dâhil edilerek HAD yönteminden yararlanılmıştır. Bu kapsamda gemi boyunun kıç tarafta %15'lik kısmı optimizasyon bölgesi olarak tanımlanıp bu bölge sınırlı sayıda kontrol noktaları kullanılarak temsil edilmiştir. Bu çalışmada iki farklı deney uzayı; kontrol noktalarının yarı genişlik değerlerini rastlantısal olarak %10 ve %15 olacak şekilde serbest bırakan iki farklı varyant kümesi yaratılmıştır. Varyant formlar, Akima interpolasyon tekniği kullanılarak modellenmiştir. Akima interpolasyonu nokta için komşu beş noktadan yararlanarak bu noktalardan geçen, parçalı üçüncü derece bir eğri oluşturur. Tam olarak istenilen noktadan geçtiğinden, her bir varyant için rastlantısal olarak belirlenen değerlerden oluşan form hassas bir şekilde temsil edilmiş olur. Yüzey için kullanılacak olan eğrilerin pürüzsüz, doğal karakterde olması aynı zamanda üretilebilirlik açısından önemlidir. Deney uzayı yaratılırken lokal olarak odaklanılan bölge için duyarlılık çalışması yapılmıştır. Başlangıçta kontrol noktaları kıç bölge en kesitleri incelenerek formun içbükey veya dışbükey değişkenlik gösterdiği bölgelerde tanımlanmıştır. Daha sonra her bir nokta diğerinden bağımsız olarak maksimum değişim miktarı kadar yani kontrol noktası yarı genişliğin %10 olmak üzere hareket ettirilerek 12 varyant form yaratılmıştır. Analiz değerlendirmelerine göre en yüksek viskoz direnç farkını oluşturan bölgeye lokal olarak odaklanılarak kontrol noktaları yeniden dağıtılmıştır. Belirlenen nokta dağılımı %10 ve %15 rastlantısal değişimle yaratılacak her iki deney uzayı için de kullanılmıştır. Dalga direnci hariç tutularak yalnızca viskoz direnç üzerinden vekil model uygulaması yapılmıştır. Vekil model ise 6 adet kontrol noktasının yarı genişlik değerlerine bağlı olarak yaratılan farklı varyant formlar ile formlara karşılık gelen viskoz direnç arasındaki ilişkiyi bulmak üzere kullanılmıştır. Kontrol noktaları yarı genişlik değerleri boyutsuz olarak girdi bilgisini ve viskoz direnç değerleri de yine boyutsuz olarak çıktı bilgisini temsil etmektedir. Optimizasyon çalışması daha sonra genetik algoritma (GA) ile minimum viskoz direnç için gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon aşaması, sayısal analizlerle elde edilen viskoz direnç değerleri ve bu değerlere karşılık gelen kontrol noktalarına ait yarı genişlik değerleri ile başlamıştır. Optimizasyon sonucundan elde edilen form tekrar sayısal olarak sınandığında viskoz direncin %5 mertebesinde azaldığı görülmüştür. Ayrıca form üzerinde gövdeye en yakın akım hatları incelendiğinde ayrılma probleminin de belirgin ölçüde giderildiği görülmüştür. Elde edilen optimal form daha sonra deneylerle de incelenmiştir. Model direnç deneyi, akım görüntüleme ve iz deneylerinden elde edilen tüm sonuçlar sayısal kazancı desteklemiştir ve tez çalışması sonuç bölümünde görseller ve grafiklerle sunulmuştur. Sunulan metodolojiye bakılarak, Kriging'in tekne form optimizasyonu problemi için uygun interpolasyon modeli olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuçlardan, ayrılma probleminin giderildiği ve sonunda viskoz dirençte %5 düşüş sağlandığı görülmektedir. Bu çalışma, günümüzde Kriging interpolasyonu kullanarak, vekil model teknikleri ile gemi formunu optimize etme yeteneğini göstermektedir. Öte yandan, farklı örnekleme yöntemlerinin kullanılmasının etkisini incelemek veya interpolasyonda gradyan veya Hessian gibi bazı tanımlayıcı bilgiler eklemek gibi edimler mevcut metamodelin tahmin performansında daha fazla iyileşmesini sağlayacaktır. Gelecekteki çalışmalara yön vermesi açısından pervane diskinde akım düzgünlüğünün optimizasyon prosedürüne dâhil edilmesi ve daha az veri ile daha yüksek hassasiyet verebilecek şekilde tekniğin modifikasyonu konuları üzerinde durulmalıdır.