LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19282

Gözat

A novel energy-saving device for ships- gate rudder system

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) İlter Tacar, Zeynep ; Korkut, Emin ; 723963 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği

Intelligent use of energy is one of the most important issues today. The increasing need for energy and the decreasing traditional energy resources have long ago shown us that the use of renewable clean energy sources is essential. On the basis of countries, it is obvious that the countries that dominate energy have a higher potential to exist and preserve their power in the future compared to other countries. On the other hand, we have only one planet where we can live for now, and it has already signalled global climate change. Considering all these, the importance of the management and efficiency of clean energy resources can be understood. However, it is still not possible to use renewable energy completely in most areas. Ship transportation, for example, continues its way using fossil fuels. In this case, our duty as engineers should be to use it most efficiently in the systems we design, whether the energy source is fossil or renewable. Reducing fuel consumption on ships is possible by various methods. These can be generalized as optimizing the hull design, decision of the main and auxiliary machinery used in ships following technological developments, not disrupting the routine maintenance and repair works on ships and planning them correctly, route optimization and installing systems to improve ship propulsion efficiency. The use of systems to improve ship propulsion efficiency, which is the subject of this thesis (energy saving devices-ESD), has been seen as a very interesting saving method in recent years due to the rules on the restriction of international emissions and due to the increase in cost when fuel prices are considered. In addition, the fact that the energy efficiency index (EEXI) of existing ships of the International Maritime Organization (IMO) will enter into force in 2023 has made the retrofit applications of energy-saving systems quite up to date. Energy conservation systems are appendages mostly static systems, positioned in front of the ship's propeller, in the same frame as/on the propeller, or after the propeller. According to the working principles: • Preventing the flow separation/improving wake field quality • Reducing or compensating rotational losses • Reducing hub vortex losses can be grouped as systems. In this thesis, three different ESDs on two different ships were investigated. The first ship is a 7000 DWT chemical tanker that has been studied in the STREAMLINE (European Union) project. In this ship (λ=16.5), a duct positioned in front of the propeller and improving the inflow to the propeller and a stator positioned at the same location, reducing rotational losses, are studied separately. In this study, the parametrically investigated duct was generated using the MARIN19A geometry and the location, diameter, chord length are the parameters investigated. Due to the restrictions imposed by the ship's stern form, it was decided that the position of the duct should be 0.3Dp (Dp: propeller diameter) ahead of the propeller plane. Nine different ducts were obtained by changing the diameter of the duct to 0.7, 0.8 and 0.9Dp and the chord length to 0.3, 0.4 and 0.5Dp. Numerical studies were carried out in StarCCM+ using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. In the calculations, the free surface effect is ignored and the calculation cost is minimised by using the "double body" method. In the CFD study, the RANS equations are solved using the SST k-ω turbulence model. Open water propeller analyses and bare hull resistance analyses were validated with the test results, and then the propulsion analyses with and without ducts were performed using the MRF method. As a result of the study, the duct with a diameter of 0.9Dp and a chord length of 0.4Dp increased the general propulsive efficiency the most compared to the case without a duct. The ESD, which was reviewed second on the same tanker vessel, is the pre-swirl stator (PSS). The analyses were carried out using the RANS method and the SST k-ω turbulence model, without taking into account the free surface effects. A stator with a diameter of 0.9Dp, a chord length of 0.25Dp and a cross-section of NACA0012, which is also positioned 0.3Dp forward of the propeller, has been developed. This stator is designed as four blades in its initial state, and the stator blades are named port upper, port central, port lower and starboard central. Their angular positions are 315°, 270°, 225° and 90°, respectively (when viewed forward from the stern, 0° represents the upper blade tip of the propeller). Position-2 and 3 are obtained by rotating 15° and 30° clockwise from this starting position, 15° counterclockwise to obtain Position-4. Firstly, the stator was investigated with 4 blades, without starboard blade, starboard blade with the half-length, and port without upper blade in Position-1, and the general propulsive efficiency of the stator design without starboard blade was found to give the best results compared to the no stator case based on ηD. The study continued with the stator design without the starboard blade and analyzes were also carried out for other angular blade positions (positions 2, 3 and 4). After it was seen that Positions 1 and 2 gave the best results, work was continued with Position 1, which is the initial position, and this time the stator designs were obtained by changing the pitch angles of the blades from 0° to 4°, -4° and -8° were examined. As a result, it has been seen that the stator with a pitch angle of -8° gives the best result in terms of efficiency compared to the case without a stator. The second ship type is a 2400 GT cargo ship. The full-scale vessel is available and is in service in Japanese inland waters. A new energy conservation system called the "Gate Rudder" system has been studied on this ship. The Gate Rudder System (GRS) is a propulsion unit consisting of twin rudders and rudder blades located aside propeller. In this system, the rudder blades regulate the flow to the propeller, like a large nozzle covering the propeller, while providing additional thrust to the thrust produced by the propeller. In addition, the rudder blades can be controlled separately, which increases the manoeuvrability of the ship. In this study, the GRS was compared with the sister ship equipped with a conventional rudder system (CRS). The two vessels operate on similar routes in Japan and sea trial measurement results are available for both. The results of numerical and experimental studies were compared with the results of this trial. The scale effect is a phenomenon that should be considered when determining the performance of ESDs. Efficiency and power values obtained from model scale tests or analyzes of ESDs may differ on the full-scale ship. For this reason, in this study, two different model scales (λ1=50.95 and λ2=21.75) and full-scale ship were studied. The resistance and propulsion tests of the model with λ1=50.95 were carried out in Japan. However, the model at this scale is small, and another larger model was needed to examine the performance of the GRS and to investigate the scale effect. In this case, the model with λ2=21.75 was produced and the resistance, nominal wake, propulsion and flow visualisation experiments were carried out in Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory of Istanbul Technical University. Resistance tests were carried out with the bare hull model and the model with the conventional rudder. The self-propulsion experiments were carried out with the GRS and CRS. The same model propeller was used in both rudder systems. In addition to these two model scales, numerical analyzes of the full-scale ship were also carried out. In CFD studies, RANS equations are solved by taking into account the free surface effects and using the SST k-ω turbulence model. Since the effect of scale effect on GRS performance will be examined, the same mesh structure was used in all three scales. Since a large number of cells would be required to provide y+<5 on a full-scale ship and the cost of the solution would increase, the mesh was generated with y+>30 for all three scales. In the model scales, resistance analyzes were performed for both y+ values, but self-propulsion analyses were performed only for y+>30. Propeller open-water curves are used to calculate propulsion efficiencies and hence power requirements. Experimental open-water curves are used for CRS, while results from CFD are used for GRS. For this, the GRS system was analyzed as an open-water propeller and the efficiency and power values of the GRS were calculated with the help of the curves obtained from here. To compare the results in different scales and to examine the effect of the scale on the results, the results in the model scale were converted to full scale. For this, the 1978 ITTC performance prediction procedure was used. Corrections were made in the extrapolation to full scale by considering factors such as the boundary layer thickness being relatively larger than the full scale, differences in friction resistances, and surface roughness in the model scale. The full-scale results obtained were compared with the sea trial measurement results of the ships and λ2=21.75 model test results and the full-scale CFD results were compatible.
Bir cisim etrafındaki sualtı akış gürültüsünün teorik ve deneysel olarak incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-21) Bulut, Sertaç ; Ergin, Selma ; 508152006 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Günümüz mühendislik uygulamaları içerisinde gürültü olgusunun yeri gitgide daha önemli bir hale gelmektedir. Sualtı gürültüsü ise askeri, endüstriyel ve ekolojik açıdan kritik bir öneme sahiptir. Askeri alanda, savaş gemilerinin ve denizaltıların sualtı gürültüsü karakteristikleri, gizliliklerinin tesisini ve yüksek hızlarda sessiz çalışabilmelerini etkileyen bir faktördür. Ayrıca, yüksek gürültü seviyelerinin sualtı canlıları üzerindeki olumsuz etkileri ve deniz taşımacılığında yolcuların konforu ile sağlığı sualtı gürültüsü üzerine yapılan araştırmalar için teşvik edici faktörlerin başında gelmektedir. Denizcilik uygulamaları içerisinde silindirik yapılar oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Denizaltılarda periskop, hava tahliye borusu, radar, elektronik savaş antenleri gibi kısımlar, açık deniz yapılarında sualtı destekleme üniteleri, deniz yatağı boru hatları ve gemi direk sistemleri silindirik yapıların yer aldığı denizcilik uygulamalarından sadece birkaç tanesidir. Bu nedenle, silindirik yapıların hidroakustik karakteristiklerinin araştırılması büyük önem arz etmektedir. Daha sessiz mühendislik sistemlerinin tasarlanabilmesi için, bu yapıların akış temelli gürültü mekanizmalarını etkileyen faktörlerin iyi anlaşılması gerekmektedir. Akış gürültüsünü oluşturan en önemli etmenler arasında, türbülanslı iz bölgesi, sınır tabakaları, akım ayrılmaları ve kararsız akış yapılarının katı cisimlerle etkileşimi yer almaktadır. Kararsız ve türbülanslı akış alanının, gürültü üretimi ve yayılımının ve çok kutuplu gürültü kaynaklarının karmaşık fiziği, akış gürültüsünün anlaşılması en zor gürültü bileşenleri arasında yer almasına neden olmaktadır. Doktora tezi kapsamında, silindirik yapıların hidroakustik karakteristikleri analitik, sayısal ve deneysel metotlar kullanılarak incelenmiştir. Geliştirilen bir yazılım ile, akış verilerinden yararlanılarak tekil silindirler etrafındaki akış gürültüsü seviyeleri analitik olarak hesaplanmıştır. Farklı geometrik kesitlere ve boyutlara sahip silindirlerin akustik karakteristikleri çeşitli hibrit akustik metotlar kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir.
Bir feribot için atık ısının kullanıldığı termoelektrik güç üretim sisteminin ısıl, çevresel ve ekonomik analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-11) Böbür, Furkan ; Ergin, Selma ; 508211003 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Enerji ihtiyacı, artan dünya nüfusu ve ticaret hacminden dolayı artmaktadır. Enerjinin aşırı kullanımı zararlı emisyonların artmasına, küresel ısınmaya ve ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Küresel ticaretin %80 ile %90 arasındaki kısmı deniz taşımacılığı aracılığıyla sağlanmaktadır. Bundan dolayı gemicilik küresel ekonomi ve tüm beşeri faaliyetlerde önemli bir rol oynamaktadır. Bunun sonucunda gemi sayısı artmaktadır. 2016 yılında dünya gemi filosunda yaklaşık olarak 89.800 gemi bulunmaktayken uluslararası deniz ticaretinde dökme yük, petrol ve konteyner başta olmak üzere taşınan yük yaklaşık 11,3 milyar ton olmuştur. 2022 yılında ise gemi sayısı toplam 126.950 iken 2022 yılında uluslararası deniz ticaretinde taşınan yük yaklaşık 12,1 milyar ton olmuştur. 2016 yılında tanker, dökme yük gemisi, genel kargo gemisi ve konteyner gemileri başta olmak üzere gemilerden yayılan karbondioksit (CO2) emisyonu yaklaşık 750 milyon ton olurken 2022 yılında ise yaklaşık 860 milyon ton olarak gerçekleşmiştir. 2016-2022 arasındaki döneme bakıldığında artan gemi sayısı ve taşınan yüke bağlı olarak gemi kaynaklı emisyon artmıştır. Deniz taşımacılığı en az emisyon yayan ulaşım tiplerinden birisi olmasına rağmen artan gemi sayısından dolayı atmosfere yayılan emisyon miktarı artmaktadır. 2017 yılında Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde ulaşım sektörü kaynaklı emisyonun yaklaşık %72,9'unu karayolu ulaşımı, %13,3'ünü havacılık, %12,8'ini denizcilik ve geriye kalan %1'lik kısmı da demiryolu ve diğer ulaşım tipleri oluşturmaktadır. Bu oranlara göre deniz taşımacılığının karayolu ve havayolu taşımacılığına göre daha az emisyon yaydığı görünse de deniz taşımacılığı kaynaklı emisyonun ulaşım kaynaklı toplam emisyondaki payı önemli bir değere sahiptir. Bundan dolayı, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Dizayn Endeksi (EEDI) gibi gemi enerji verimliliğini geliştirme amaçlı düzenlemeler yapmıştır. EEDI gemilerin enerji verimliliğini artırmayı ve gemi kaynaklı emisyonu 2013 yılından sonra inşa edilen gemilerde azaltmayı amaçlamaktadır. SEEMP gemilerin enerji verimliliğini geminin operasyonlarında yapılacak operasyonel optimizasyonlarla artırmayı amaçlamaktadır. Ayrıca, tipik bir gemi makinesinde üretilen gücün yaklaşık yarısı geminin sevki için kullanılırken üretilen gücün %25,5'i egzoz gazı formunda atmosfere salınmaktadır. Tipik bir gemi makinesinden yayılan diğer atık ısı kaynakları %16,5 oranında şarj havası, %5,2 oranında ceket suyu, %2,9 oranında yağlama yağı ve %0,6 oranında ısıl ışınımdır. Bu bir gemi makinesinin ürettiği gücün yarısının atık ısı olarak kullanılamadan atmosfere salındığını göstermektedir. Hem gemi makinelerinin atık ısı oranı hem de küresel deniz ticareti kaynaklı emisyon miktarından dolayı atık ısı geri kazanım yöntemleri önemli bir konu başlığı haline gelmişti ve atık ısı bileşenleri göz önüne alındığında egzoz gazı taşıdığı ısı miktarı ve sahip olduğu sıcaklık ile büyük bir atık ısı geri kazanımı potansiyeline sahiptir. Gemi makinesinden atık ısı geri kazanımı atmosfere salınan zararlı emisyonların azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada Eskihisar-Topçular arasında yolcu ve araç taşıyan Ord. Prof. Ata Nutku feribotunun ana makinesinin egzoz gazının atık ısısı kullanılarak termoelektrik güç üretimi ile atık ısı geri kazanımı analizi yapılmıştır. Termoelektrik güç üretimi termoelektrik modülün sıcak ve soğuk tarafları arasındaki sıcaklık farkından yararlanılarak voltaj üretimini sağlayan Seebeck etkisi ile ısıl enerjiden elektrik enerjisine direkt enerji dönüşümüdür. Bu çalışma kapsamında farklı karakteristiklere sahip TGMT-19W-4V ve TE-MOD-22W-7V-56 olmak üzere iki adet termoelektrik modül seçilmiştir. Seçilen her bir termoelektrik modül için %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerindeki egzoz gazı sıcaklıkları ve 20°C'lik bir deniz suyu sıcaklığı için dört farklı sıcaklık farkında termoelektrik modül boyunca sıcaklık dağılımı ve voltaj dağılımı COMSOL Multiphysics paket programı kullanılarak sürekli ısı iletimi denklemi ve elektrik denklemlerinin birlikte çözdürülmesiyle elde edilmiştir. İki farklı termoelektrik modül ve dört farklı sıcaklık farkı için toplamda sekiz ayrı durum için ısıl analiz yapılmıştır. Buradan elde edilen sonuçlar neticesinde 450, 600 ve 750 adet termoelektrik modül içeren üç farklı termoelektrik güç üretim sistemi konfigürasyonu için üretilen elektrik gücü, üretilen elektrik gücünden elde edilen yıllık yakıt tasarrufu ve termoelektrik güç üretim sistemi amortisman süresi hesaplanarak ekonomik analiz yapılmıştır. Ek olarak, termoelektrik güç üretim sistemlerinin egzoz gazının atık ısısından yararlanarak elektrik gücü üretmesi sonucunda atmosfere yayılan emisyonlardaki azalmalar NOX, SO2, CO, CO2 ve HC gibi farklı emisyon tipleri için hesaplanarak çevresel analiz yapılmıştır. Son olarak bu çalışmada elde edilen sonuçlar literatürdeki diğer çalışmaların sonuçlarıyla kıyaslanarak doğrulama çalışması yapılmıştır ve bu çalışmada bulunan sonuçların literatürden alınan çalışmaların sonuçlarıyla uyum gösterdiği görülmüştür. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TGMT-19W-4V termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 437 W- 1350 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TGMT-19W-4V termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,25'i ile %0,77'si arasında değişmektedir. TGMT-19W-4V termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 22,1 yıl, 21,5 yıl, 13,5 yıl ve 11,9 yıldır. Ana makine yükü arttığında termoelektrik güç üretim sisteminin ürettiği elektrik gücü arttığı için yakıt maliyetinden yapılan tasarruf artmaktadır. Bunun sonucunda amortisman süresi ana makine yükünün artmasıyla beraber azalmaktadır. Feribotun sefer halindeki ana makine yükü değişimleri göz önüne alındığında sistemlerin amortisman süresi 16,5 yıl olarak hesaplanmıştır. %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 972 W- 3000 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,55'i ile %1,71'i arasında değişmektedir. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 12,6 yıl, 12,2 yıl, 7,7 yıl ve 6,8 yıldır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülündeki amortisman süresi tüm ana makine yüklerinde TGMT-19W-4V termoelektrik modülünden daha kısadır. Feribot sefer halindeyken sistemlerin amortisman süresi 9,4 yıl olarak hesaplanmıştır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü için amortisman süresi TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekinden daha kısadır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü daha çok elektrik gücü ürettiği için TE-MOD-22W-7V-56 modülünün incelendiği tüm durumlarda emisyon türlerindeki yıllık azalma oranları TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekilerden daha yüksektir.
Computational investigation of the effects of the propeller diameter on the self-propulsion performance of a submarine at different forward speeds

(Graduate School, 2023) Sevgi, Gökay ; Korkut, Emin ; 807318 ; Naval Architecture and Marine Engineering Programme

The power generated by the propulsion system of a submarine must be used as efficient as possible due to a high propulsive efficiency reduces the dependency of the submarine to the surface and thus enhance its operational capabilities. Although several studies have been conducted in order to investigate the effects of the changes in a variety of parameters on the submarine self-propulsion performance up to now, some parameters are still needed to be discussed in more detail. The propeller diameter, one of the most important characteristics of the propeller geometry, is one of these parameters which needs deeper investigation into the topic. Since, the effects of the propeller diameter on the self-propulsion performance of the submarines are usually presented by some generalized diagrams in the open literature whose derivation methodology are not explained. The literature review in Chapter 1.1 which summarizes the past studies related to the field of the submarine hydrodynamics focusing especially on the submarine self-propulsion explains all other details and the developments regard to the topic over the years in the chronological order. On the other hand, further explanations for the base point of the study presented in this thesis exist in Chapter 1.2. In Chapter 2, the naval architectural based engineering terminology adopted throughout the study are described. In this context, definitions for the non-dimensional parameters which characterize the performance of the marine propellers and the propulsive factors of the submarines are given. In addition, the methods used for the open water and the self-propulsion analyses as well as the principles of the thrust identity and the torque identity methods are explained in Chapter 2. The present study utilizes the viscous flow based computational fluid dynamics methods for the analyses carried out with the aim of the investigation of the effects of the propeller diameter on the submarine self-propulsion performance. In this regard, RANS approach was used along with the SST k-ω turbulence model throughout the study in order to solve the incompressible flow around the bodies subjected to the examinations and the flow was assumed to be steady in the scope of the study. For the computations where the rotational motion due to the propeller is required to be modelled, the MRF method was additionally applied. The equations to be solved were discretized in the flow domain by means of finite volume method, on the other hand, the coupling between the pressure and the velocity terms was satisfied by the SIMPLE algorithm in order to solve these equations in an iterative manner. In Chapter 3, in-depth explanations are provided for these computational techniques among with their scientific basis starting from the introduce of the governing equations of the fluid dynamics. The application procedure of the GCI method which was used to assess the uncertainty due to the spatial discretization in the present study is also explained in Chapter 3. For the computational analyses, the fully-appended generic submarine model DARPA Suboff AFF8 was used whereas this submarine model was propelled by the generic INSEAN E1619 submarine propellers in different diameters. Three different INSEAN E1619 propellers having diameters of 0.262 m, 0.308 m and 0.354 m were selected which give reasonable values for the ratios of the propeller diameter to the maximum hull diameter to be 0.516, 0.606 and 0.697, respectively to propel DARPA Suboff AFF8. Further details about the geometries used are provided in Chapter 4. The computational process started with the verification and the validation studies which were required to proceed with the case studies. In this regard, the employed solution methods for the resistance characteristics of DARPA Suboff AFF8 and the open water characteristics of the full-scale INSEAN E1619 whose diameter is 0.485 m were verified and validated. Furthermore, a validation study for the self-propulsion characteristics of DARPA Suboff AFF8 propelled by INSEAN E1619 in 0.262 m diameter was also executed. The step-by-step explanations for the verification and the validation studies are presented in Chapter 5.1. After the solution strategies to be adopted were shown to be valid, the open water computations for the scaled INSEAN E1619 propellers were performed based on the structure of the verified and validated method employed for the full-scale INSEAN E1619. With these computations, the open water curves of these scaled propellers were obtained to be used in the stage of the calculation of the propulsive factors. In the next stage, the studies continued with the self-propulsion computations of DARPA Suboff AFF8 propelled by INSEAN E1619 propellers in the determined diameters to yield its propulsive characteristics at three different submarine forward speeds by using the validated method for its self-propulsion. Detailed information into the case studies are provided in Chapter 5.2. The data obtained by the computations were used as the input for the calculation of the propulsive factors of the propeller-submarine couples for three different forward speeds by utilizing from the thrust identity method. The variations of the obtained propulsive factors with respect to the ratio of the propeller diameter to the maximum hull diameter and the submarine forward speed were illustrated by the curves and an elaborate discussion was made through these relationships. Besides, the obtained data set by the present study were also compared with the previous data presented to the literature and discussed. The calculation of the propulsive factors and discussions on the obtained data are presented in Chapter 5.3 with all the details. On the other hand, the visual inspections which focus on to the features of the flow downstream the submarine were carried out by post-processing the data obtained from the self-propulsion analyses. Visualization studies are presented in Chapter 5.4 with their comprehensive discussions. It was demonstrated that the torque requirement of the propeller increases even though the propeller rotational rates at the self-propulsion points reduce as the propeller diameter increases. It was also detected that the propulsive factors are significantly affected by the propeller diameter being the Taylor wake fraction is the most affected one and its analysis requires a special attention in determining the propeller diameter of a submarine. Moreover, it was shown that the submarine forward speed affects all the propulsive factors except the propulsive efficiency. Also, it was observed that the trends of the curves drawn for the propulsive factors in the present study are in compliance with those of in the literature. Besides, it was visually demonstrated that the changes in the propeller diameter alter the wake flow of the submarine remarkably. Further concluding remarks in more detail along with the recommendations for the future studies related to the topic are provided in Chapter 6.
DARPA denizaltı modelinde derinliğe bağlı olarak değişen hidrodinamik manevra türevlerinin ve yatay stabilitenin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-20) Çavdar, Furkan ; Bal, Şakir ; 508191008 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Bu tezde DARPA Denizaltı geometrisinin derinliğe göre değişen hidrodinamik manevra türevleri tespit edilmiş ve derinliğe göre değişen yatay stabilitesi incelenmiştir. Denizaltılar, seyir halindeyken dip ve yüzey (serbest yüzey) etkilerinden kaçınılması tercih edilir. Denizaltıların genellikle radar tarafından tespit edilememe ve yakıt tasarrufu gibi nedenlerle derin sularda seyretmesi gerekir. Ancak denizaltılar her zaman bu koşullarda çalışamayacaklardır, çünkü taze hava gereksinimi ve bataryaların şarj edilmesi gibi sebeplerle şnorkel halde bulunmaları gerekmektedir. Bu nedenle denizaltıların derinliklerde yüzeye yakın hareket ve manevra kabiliyetlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada su yüzeyine yakın derinliklerdeki seyir hareketlerinde oluşacak ilave direncin denizaltı performansına olan etkileri araştırılmıştır. Havuz ve direnç testleri ile deneysel ve HAD analiz çalışmaları doğrulanmış, daha sonra DSM (DARPA SUBOFF MODEL) üzerinde yatay eksende gövde ve dümen geometrilerinin hidrodinamik katsayıları hesaplanmıştır. Bilindiği üzere, DARPA Denizaltı modeli derin suda yatay stabiliteye sahip değildir. Bu çalışmada, denizaltı modelinin periskop (şnorkel) seyri esnasında veya su yüzeyine yakın hareket ederken yatay stabilitesi 3 serbestlik dereceli olarak tespit edilmiştir. Öncelikle, sistemin matematik modeli hakkında bilgi verilmiş ve denizaltı için ana büyüklükler ve boyutsuzlaştırma terimleri paylaşılmıştır. Denizaltı modeli, üç boyutlu olarak takıntılarıyla birlikte oluşturulmuştur. Üç boyutlu modellerde DARPA tarafında geliştirilen geçen kıç takıntısız model ve kıç takıntılı model kullanılmıştır. Denizaltı stabilitesi ve hidrodinamik manevra türevleri tespit edilirken farklı yüksekliklerde yanal öteleme kuvvetine ait doğrusal katsayılar ve savrulma açısal momentine ait doğrusal katsayılar kullanılmıştır. Farklı derinlikler 1.1D, 2.2D, 3.3D ve 6D olarak seçilmiştir. Bahsi geçen katsayılar hesaplamalı akışkanlar dinamiği programıyla çeşitli sistematik analizler yapılarak elde edilmiştir. Hesaplamalı analizlerde gerekli doğrulama ve geçerleme çalışmaları da yapılmıştır. Doğrulama çalışmalarında ağdan bağımsızlık çalışması, hacim belirleme çalışması, ortalama Reynolds Navier-Strokes türbülans modelleri karşılaştırması, analiz adımı karşılaştırması, analiz süresi karşılatırması gibi çeşitli analizler yapılmıştır. Analiz doğrulamaları yapılırken üç boyutlu geometrik modele ait manevra deneysel verileri kullanılmış ve yukarıda da belirtilen takıntısız ve takıntılı kıç olmak üzere iki farklı geometri modeline göre analizler değişik derinliklerde karşılaştırılmış, yüzde farklar olarak ifade edilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde elde edilmesi planlanan hidrodinamik türevler boyuna kuvvet katsayıları, yanal kuvvet katsayıları ve savrulma moment katsayıları olarak belirlenmiş olup doğrusal modelde X0, Xv, Xd, Xẟ, Yv, Yr, Yẟ, Nv, Nr ve Nẟ katsayılarının belirlenmesi amaçlanarak hidrodinamik model oluşturulmuştur. Farklı derinliklere göre elde edilen hidrodinamik türevler ile yatay stabilitenin tespiti yapılmıştır. Yatay stabilite tespiti dışında dümen kuvvetlerinin etkisini modele eklemek için dümen kuvvet ve moment katsayıları tayin edilmiştir. Denizaltı modelinin, su yüzeyine yakın seyir durumlarında yatay stabiliyete sahip olduğu ve 4.6D derinlikten itibaren ise yatay stabilitesini kaybettiği bulunmuştur. Daha sonra denizaltı modelinin su yüzeyine yakın manevra performansını anlamak için denizaltı modelinin farklı derinliklerde elde edilen hidrodinamik türevlerine eğriler türetilerek üç serbestlik dereceli manevra simülasyonuna adapte edilmiştir. Denizaltı modelinde yatay stabilite için bu düzlemdeki kararlılık derecesi gereklidir. Bu problem doğrusal sistem için sayısal olarak çözülmüştür. Tasarlanan model için geçmişte yapılmış uygun çalışmalar mevcuttur. Bu tezde de bu çalışmalar kullanılarak doğrulama ve gerçekleme analizleri yapılmıştır. Doğrusal modelin hidrodinamik katsayı seti, HAD analizlerinden elde edilmiş ve üç serbestlik dereceli manevra simülasyon yönüne bağlı olarak işlenmiştir. Denizaltı modelinin değişen derinliklerine göre farklı katsayılara sahip olduğu görülmektedir. Manevra simülasyonunda statik ve dinamik manevra cevapları farklı derinliklere göre incelenmiştir. Dinamik manevra analizleri neticesinde hız azalması ve dönme çapı test değerleri elde edilmiştir. Bahsi geçen testler sabit itki kuvveti altında yapılmıştır. Testler sonucunda görülmektedir ki denizaltı su yüzeyine yaklaştıkça hidrodinamik direnç artmakta ve sabit itki altında daha fazla hız azalması ile karşılaşmaktadır. Ayrıca yüzeye yakın seyir halinde yanal öteleme hızına bağlı olarak denizaltının manevra performansında farklılık gözlenmektedir. Testler sonucunda denizaltı su yüzeyine yaklaştıkça hidrodinamik direncinin arttığı ve sabit itme altında daha fazla hız düşüşü ile karşılaştığı görülmüştür. Ayrıca, yüzeye yakın seyir sırasındaki yanal öteleme hızına bağlı olarak denizaltının manevra performansında da bir fark gözlemlenmektedir. Bu durum, su üstü platformlarının manevra performansı ile kıyaslanmamalıdır. Ancak bu tez çalışmasında bilgi vermek amacıyla denizaltı modeli su üstü platformlarının kriterlerine göre karşılaştırılmıştır. Denizaltı modelinin bu kriterlerden bazılarına uyduğu, bazılarıyla uyumlu olmadığı görülmektedir. Tezin eklerinde matematiksel modelin türetilmesi verimiştir. Ayrıca tezde deney verilerinde kullanılan ancak tezde yer almayan Y ve N eksenleri ile ilgili değerler de ekler bölümünde paylaşılmıştır. Daha sonra tez çalışması tamamlanmıştır. Yatay stabilite sayısının kararlı olduğu bölgede, denizaltı manevra performansı ile ters ilişki içinde olduğu bilinmektedir. Bu sebeple çalışmada artan yatay stabilite katsayısına göre yatay stabilitenin kararlı olduğu bölgede manevra performansı değerlendirilmiş olup daha önceki çalışmalara uygun, yatay stabiliye sayısı ve manevra performansı arasındaki ilişki gösterilmiştir. Yatay stabilitenin aşırı kararlı ve kararsız olduğu bölgelerdeki durumların değerlendirilmesi de çalışmanın konularındandır. Sonuç olarak, DARPA denizaltı modeline ait farklı derinliklerde üç serbestlik dereceli sistem için doğrusal manevra türevleri ve dümen katsayıları belirlenmiştir. DARPA denizaltı modeli için yatay stabilite katsayısı hesaplanmış ve yüzeye yakın seyir halinde yatay stabilitenin mevcut olduğu bulunmuştur. Ayrıca, nodelin yüzeye yakın derinliklerde seyir halindeyken manevra performansı incelenmiş ve farklı derinliklere göre gerekli karşılaştırılmalar verilmiştir.
Deniz altı boru hattı kaza analizi ve düşen nesnelere karşı boru hattı tasarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Onat, Mikail Rıza ; Ünsan, Yalçın ; 776638 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı

Son yıllarda artan teknoloji ile beraber deniz altı boru hatlarının uygulaması deniz teknolojisi mühendisliğinde oldukça önemli bir konumdadır. Farklı amaçlar için uygulamaları yapılan deniz altı boru hatlarının ekonomik ömürleri süresince dayanımlarının ve stabilitelirinin güvenli bir şekilde sürdürülmesi oldukça önemlidir. Deniz altı boru hatlarında meydana gelen arızalar, petrol sızıntılarına hatta büyük maddi ve çevresel zararı olan patlamalara neden olabilir. Petrol ve gaz endüstrisindeki ciddi çevresel felaketler ve insan ölümleri, boru hattı bütünlüğü yöntemini ekonomik, sosyal, çevresel ve daha birçok yönden çok önemli bir iş haline getirmiştir. Deniz altı boru hatlarının güvenli ve verimli işletilmesi, çevreye ve insanlara verilen zararı en aza indirir. Riskleri azaltmak ve boru hattı arızalarının nedenlerini ortadan kaldırmak için, boru hatları uluslararası kod ve standartlara göre güvenli ve uygun bir şekilde tasarlanmalı, inşa edilmeli ve yönetilmelidir. Yapılacak risk analizi sonucunda boru hattının işleyişine vereceği zararlar tahmin edilecek, böylece boru hattının zayıf noktaları ve yüksek riskli alanları belirlenecektir. Boru hattı bütünlüğü yönetimi; korozyon, çevresel etkiler, darbeler (çapalar, troller vb.), insan hatası gibi boru hattı operasyonuna zarar verebilecek birçok faktörü göz önünde bulundurur. Bütünlük yönetimi, dikkate alınması gereken boru hattı tasarımı ve işletimi, kaçak tespiti, acil durum yönetimi, iş sağlığı ve güvenliği vb. konuları içerir. Açık deniz petrol ve gaz endüstrisinde, çevre ve canlılar için telafisi zor olan büyük kazalar sonucunda bütünlük yönetiminin kullanımı artmıştır. Denizaltı sistemlerinin muayenesi, bakımı ve onarımı, genel bir bütünlük yönetim sisteminin temel bileşenleridir. Boru hattı sistemleri, birçok türde hasara maruz kalabilir. İstenmeyen olayları ve potansiyel tehlikeleri belirlemek ve analiz etmek için yaygın olarak kullanılan çeşitli uluslararası veri tabanları ve teknik raporlar vardır. Veriler farklı şekillerde analiz edilebilir ve bu analizin sonuçları planlama, tasarım, inşaat ve boru hattı yönetiminde çeşitli amaçlar için kullanılabilir. Bu çalışmada, gerekli risk değerlendirmesi sonucunda boru hattı tehditleri belirlenerek sınıflandırılmakta ve deniz altı boru hatlarına düşebilecek cisimlere karşı tasarım üzerinde durulmaktadır. Boru hatlarında oyulmaya ve darbeye karşı; boru hattını tamamen gömme, iri malzeme ile kaplama ve beton hasır serme gibi birtakım koruyucu yöntemler kullanılmaktadır. Deniz ve kıyı yapılarında kullanılan geotekstil tüplerin boru hatları için farklı bir uygulama metodolojisi üzerinde durulmaktadır. Genel olarak polyester veya polipropilen hammaddeden üretilen geosentetik tüpler, kıyı yapılarına koruma ve liman alanları için mendirek inşaasında kullanılan malzemelerdir. Geosentetik tüpe basılan su, kum karışımından su dışarı sızarken kum içerde kalır.
Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-13) Şahin, Koray ; Ergin, Sema ; 508152009 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerinin akma noktası genel olarak çok yüksektir. Bu tip akışkanlar akma noktalarının altında katılaşırlar. Katılaşmayla birlikte kimyasal özellikleri değişir. Ayrıca, bu tip akışkanların akma noktalarının altında akışkanda mum oluşumu başlar. Gemi kargo tanklarındaki ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerindeki katılaşmayı, kimyasal özellik değişimini ve mum oluşumunu önlemek için bu tip akışkanlar ısıtılır. Bundan dolayı, bu tip akışkanların tank içerisindeki sıcaklığı sefer süresince belli bir seviyede tutulur. Ayrıca, bu tip yüksek viskoziteye sahip akışkanlar istasyondan gemiye ve gemiden istasyona taşınması öncesinde akışkan ısıtılarak pompalanabileceği uygun sıcaklık değerine getirilir. Kargo tanklarındaki sıvı yükler geleneksel olarak dolaylı ısıtma yöntemleriyle ısıtılmaktadır. Bu yöntemlerde ısı, bir ısı transfer yüzeyi boyunca aktarılır. Kargo tanklarındaki ısıtma sistemi için en sık ve yaygın kullanılan yöntem tanka daldırılmış ısıtma serpantinlerinin kullanılmasıdır. Tankların tabanındaki serpantinler sıcak olur ve hemen yakınında bulunan sıvı yükü ısıtır. Sıcak sıvı yük ısınarak yükselir ve daha soğuk olan sıvı yükle yer değiştirir, böylece tankta doğal bir sirkülasyon (doğal taşınım) gerçekleşir. Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, vb. yüksek viskoziteli akışkanların bir gemi kargo tankında ısıtılması işlemi önemli miktarda enerji ve maliyet gerektirir. Bu enerji ve maliyet kapalı hacimdeki doğal taşınımın fiziğinin iyi anlaşılmasıyla azaltılabilir. Bu çalışmadaki amaç, gemi kargo tanklarındaki doğal taşınımla ısı transferi ve akış problemini deneysel ve hesaplamalı olarak modellemek ve elde edilen bilgiler, bulgular, sonuçlar ile gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliğini arttırmaktır. Bölüm 2'de deneysel çalışma açıklanmıştır. Gemi kargo tankı, alttan rezistans telleriyle ısıtılan üstten termostatik su banyosuyla soğutulan bir dikdörtgen kapalı hacim olarak modellenmiştir. Deneysel çalışmada, 5700 Detveyt tonluk (DWT) bir petrol/kimyasal tankerin gerçek kargo tank boyutlarının ⁓1/20 ölçeğinde bir model tankı oluşturulmuştur. Model tankın alt ve üst duvarları doğal taşınımla ısı geçişi için gerekli olan sıcaklık farkını yaratabilmek için farklı iki ısı değiştirici olarak tasarlanmıştır. Soğuk tarafta, üst alüminyum plakadan ısıyı uniform olarak çekmek için bir soğutma ceketi tasarlanmıştır. Sıcak tarafta, alt alüminyum plaka elektrik direnç telleriyle ısıtılmıştır. Isıyı plaka üzerinde uniform olarak dağıtmak için, elektrik direnç telleri üç eşit parçaya bölünmüştür. Alüminyum oksitten döküm yöntemiyle ısıtıcı için bir tabla imal edilmiştir. Tablanın içine ısıya dayanıklı cam tüpler yerleştirilmiştir. Her bir elektrik direnç teli tabladaki cam tüplerden geçirilmiştir. Böylece, homojen bir sıcaklık dağılımı sağlayan bir tabla ısıtıcı tasarlanmıştır. Ayrıca, her bir elektrik direnç teli PID (Proportional Integral Derivative) kontrol mekanizmasına sahip dijital sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilmiştir. Her bir elektrik direnç teli ayrı ayrı kontrol edilerek alt plakada uniform bir sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Böylece, doğal taşınım için gerekli olan sıcaklık farkının kontrol edilebileceği bir deney düzeneği kurulmuştur. Ağır yakıtın viskozitesinin sıcaklıkla olan büyük değişimi ve yüksek Pr sayısı özelliklerini modellemek için, model tank içerisinde çalışma sıvısı olarak gliserin kullanılmıştır. Deneyde soğuk ve sıcak plakaların yüzeylerindeki sıcaklıklar, model tankın farklı noktalarındaki gliserinin sıcaklıklarını ölçmek için gerekli olan veri toplama sistemi, açık kaynaklı bir elektronik geliştirme kartı olan Arduino Mega ATmega2560 ve tasarımı yapılan devrenin delikli pertinaks üzerine aktarılmasıyla geliştirilmiştir. Isıl çiftler, bir bilgisayara bağlı bu çalışmada geliştirilen veri toplama ünitesine bağlanmıştır. Bu çalışmadaki sıcaklık verilerini okumak için Arduino IDE (Integrated Development Environment) yazılımında kod yazılarak düzenlenmiştir. Model tank içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişi için yapılan deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde bulunan Gemi Emisyonları Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma, izotermal olarak ısıtılan alt alüminyum plaka sıcaklığı ile izotermal olarak soğutulan üst alüminyum plaka sıcaklığı arasındaki 3 farklı sıcaklık farkı değeri için gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, kapalı hacmin dikey simetri ekseni boyunca sıcaklık profilleri sunulmuş ve yatay plakalardaki ortalama Nusselt sayıları hesaplanmıştır. Dikey simetri ekseninde ölçülerek deneysel olarak tahmin edilmiş zaman ortalama sıcaklık profilleri üst ve alt plakaların yakınında keskin bir şekilde değişmiştir. Sıcaklık profili plakaların yakınında termal sınır tabakaların varlığını açıkça göstermiştir. Termal sınır tabakaların dışındaki bölgede sıcaklıkta lineer bir tabakalaşma görülmüştür. Bölüm 3'te gliserin dolu model tanktaki doğal taşınımla olan ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Aktif alüminyum plakalarda deneysel olarak ölçülen sıcaklıklar sınır şartı olarak sayısal çalışmada kullanılmış ve analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma, İTÜ Bilişim Enstitüsü bünyesinde bulunan Türkiye Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde (UHeM) bulunan çok işlemcili yüksek performanslı bilgi işlem kümesi SARIYER'de sağlanan hesaplama kaynakları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu zamana bağlı korunum denklemleri, sonlu hacim yöntemine dayalı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı ANSYS Fluent kullanılarak çözülmüştür. Model tank orta düzlemindeki dikey orta eksende sayısal olarak elde edilen sıcaklık profilleri, yatay duvarlarda hesaplanan ortalama Nusselt değerleri deneysel olarak ölçülerek elde edilen sıcaklık profilleri ve Nusselt değerleriyle karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar, sayısal simülasyonlar ve deneysel ölçümler arasında iyi bir uyum olduğunu göstermiştir. Bölüm 4'de ağır yakıt ile dolu kapalı bir hacimdeki laminer doğal taşınımla olan ısı transferi deneysel sonuçlarla doğrulanan sayısal yöntem ve çözüm prosedürü kullanılarak 103≤Ra≤107 aralığındaki Rayleigh (Ra) sayılarında farklı ısıtma sistemleri ve serpantin boru düzenlemeleri için incelenmiştir. İki farklı ısıtma sisteminin performansları araştırılmıştır. İlk sistemde ısıtıcı serpantinler tanka daldırılmıştır. İkinci sistemde, serpantin borularının tankın dışında yer aldığı dikkate alınarak, ağır yakıtın alt duvardan üniform olarak ısıtıldığı kabul edilmektedir. Sıcak serpantin borularının yüksek viskoziteli akışkana daldırıldığı ısıtma sisteminde serpantin boruları arasındaki yatay ve dikey mesafeler ile serpantin borularının dikey eksendeki konumlarının ısı transfer özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. 103≤Ra≤106'da serpantin borularının kapalı alanın dışında olduğu ısıtma sistemi serpantin borularının kapalı alana daldırıldığı sistemden daha düşük bir ısı transfer kabiliyetine sahip olduğu belirlenmiştir. Ra=107'de serpantin borularının kapalı alan dışında olduğu ısıtma sistemi, yatay olarak hizalanmış serpantin boru düzenine sahip ısıtma sistemine kıyasla ortalama Nusselt değerlerinde % 3,25'lik bir iyileşme sağlamıştır. Bölüm 5'de ağır yakıtla doldurulmuş 1:1 ölçekteki bir gemi kargo tankındaki serpantin borularının farklı düzenlemelerinin doğal taşınımla ısı transferi üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Boruların sıralı, kademeli ve katmanlı düzenlemeleri için sayısal simülasyonlar yapılmıştır. Serpantin borularının tankın alt duvarı boyunca eşit yatay mesafelerde dağıtılarak sıralı bir şekilde yerleştirildiği düzen, gemilerdeki serpantin boru yerleşiminin geleneksel tasarımıdır. Gemilerdeki serpantin borularının geleneksel tasarımına ait sonuçlar bu çalışmada düşünülen ve önerilen tüm serpantin boru düzenlemelerine ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Serpantin borularının geleneksel tasarımında boru yüzeylerinde elde edilen zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri sıralı düzende yerleştirilerek tank tabanının ortasında kümelenmiş serpantin boru düzeninde elde edilene göre % 7,6 artış göstermiştir. Kümelenmiş boru düzeninde son durumda tankta elde edilen minimum ve ortalama sıcaklık değerleri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilenlere göre düşmüştür. Serpantin borularının kademeli düzeninde borular arasındaki 5 farklı açının (α) 150, 300, 450, 600 ve 750 doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Serpantin boruları arasındaki açı değeri arttıkça boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde ve son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama ve minimum sıcaklık değerlerinde artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600 ve α=750 için elde edilen boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre sırasıyla % 2,1 ve % 4,73 iyileşmiştir. Serpantin borularının kademeli düzeninde α=600'de sabit kalacak şekilde borular arasındaki yatay mesafenin doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Kademeli düzende borular arasındaki yatay mesafenin 0,2284 m'den 0,8 m'ye artmasıyla, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde % 11,25'lik bir artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600'de serpantin borular arasındaki yatay mesafenin 0,8 m olduğu durumda boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre % 13,6'lık bir iyileşme görülmüştür. Taşınımdaki bu iyileşme son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum ve ortalama sıcaklık değerlerine yansımıştır. Serpantin borularının katmanlı düzeninde, gemi kargo tankı dikey olarak ısıtma bölgelerine (katmanlara) bölünerek ısıtılmıştır. Hesaplanan toplam ısıtma yükü katman sayısına bölünerek her katmana eşit olarak dağıtılmıştır. Kargo tank yüksekliği 4 ve 5 katman olacak şekilde bölünerek analizler gerçekleştirilmiştir. Katman sayısındaki artış serpantin boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer değerinde bir değişiklik oluşturmazken, son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama sıcaklığını düşürmüştür. Katmanlı ısıtma, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayı değerinde gemilerdeki geleneksel boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre % 6,88'lik bir iyileşme sağlamıştır. Ayrıca, katmanlı ısıtmayla son durumda tank içerisindeki ortalama ağır yakıtın sıcaklık değeri de gemilerdeki geleneksel serpantin boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre artmıştır. Buna karşın, katmanlı ısıtma son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum sıcaklık değerlerini düşürmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmada önerilen serpantin borularının kademeli ve katmanlı düzenlerinde gemi kargo tankı içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişinin etkinliğinde gemilerdeki geleneksel serpantin boru düzenine göre bir iyileşme sağlanmıştır. Böylece, yüksek viskoziteli akışkanla dolu gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliği arttırılmıştır.
Gemi kaynaklı emisyonların Türk boğazları ve Marmara denizi için incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-17) İnak, Deniz ; Ergin, Selma ; 508181005 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Özellikle 20. Yüzyıl'da gelişen teknoloji, artan nüfus ve ticari ilişkilerin etkisi ile insanoğlunun enerji tüketimi sürekli artmaktadır. Bu artış, enerji kazanımı sürecinde açığa çıkan, direkt veya endirekt, zararlı ürünlerin de doğaya salınmasını beraberinde getirmektedir. Bu süreçte yapılan çalışmalar, CO2, HC ve NOX gibi zararlı ürünlerin hem insan sağlığına doğrudan olumsuz etkilere sahip olduğunu, hem de dünya atmosferinde sera gazı etkisi yaratarak Dünya'ya düşen güneş ışınlarının yeterince yansıtılamaması sebebiyle de küresel ortalama sıcaklıkları artırdığını ortaya koymuştur. Bu tezde, Türk Boğazları ve Marmara Denizinden 2019 ve 2020 yılları içinde uğraklı veya uğraksız olarak geçen gemilerin saldığı zararlı gaz emisyonları, aşağıdan yukarı (Seviye 3) hesaplama metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Bu hesaplarda gemi geçiş bilgileri Kıyı Emniyeti Genel Müdürlüğü'nden (KEGM) alınmıştır. Gemiler, tip, gros tonaj, makine tipi, kurulu makine gücü gibi pek çok kritere göre incelenmiştir. Emisyon katsayıları için öncelikle Avrupa İzleme ve İnceleme Programı (EMEP) ve ABD Çevre Koruma Ajansı'nın (EPA) yayınları kullanılmıştır. Emisyon limitleri için ise IMO MARPOL Ek VI'da getirilen NOX limitleri güncel duruma uyacak şekilde alınmıştır. Ayrıca SOX emisyonlarının hesaplanması için de yakıt sülfür miktarı gene IMO MARPOL Ek VI ile uyumlu şekilde hesaplamalara katılmıştır. Hesaplamalar ayrıca Seviye 2 hesaplama yöntemi ile de tekrar edilerek, Seviye 2 ve Seviye 3 yaklaşımlarının farkları anlaşılmaya çalışılmıştır. Yapılan literatür taraması sonucunda aynı bölge için 2019 ve sonrası için çalışma bulunamamıştır. Ancak daha önceki yıllar için yapılan çalışmalar ile emisyonlar başta olmak üzere çeşitli yönlerden karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu karşılaştırmalarda, toplam emisyonların yanısıra, karşılaştırmaya dahil edilen yıllardaki gemi karakteristikleri de incelenmiştir. Yapılan hesaplarda bir adım ileri de gidilerek, emisyon standartlarının daha da iyileşmesi sonucunda elde edilecek kazanım da gösterilmeye çalışılmıştır. Bunun için Boğazlar Bölgesi'nin ECA ilan edilmesi senaryosu için hesaplamalar yapılmıştır. Senaryo, ECA SOX limitlerinin devreye girdiği 2020 yılı için yapılmıştır. Son olarak, salınımların karbon eşlenikleri hesaplanarak hangi emisyon tipinin küresel emisyon potansiyelinin en etkin olduğu gösterilmiştir.
Gemi panellerinin elastoplastik davranışlarının sonlu elemanlar metoduyla incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-04) Ersü, Muhammed ; Ergin, Ahmet ; 508201013 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Gemi inşaa sanayisinde kullanılan gemi panelleri, mukavemet yönünden büyük öneme sahiptir. Bu yapılar, belirli bir dış etkiye maruz kaldığında, Newton yasası gereğince, tepki olarak şekil değiştirmeye uğrar. Şekil değiştirmeler incelenirken iki farklı yaklaşım bulunmaktadır. İlk yaklaşım, yapının elastik bir davranış sergileyerek yük taşıyabilme kabiliyetine devam edebilmesidir, bu elastik davranış olarak tanımlanır. Diğer yaklaşımsa kalıcı deformasyonların oluştuğu ve akmanın meydana geldiği plastik deformasyondur. Plastik deformasyona uğramış bir yapı artık mühendislik kriterleri bakımından güvenli olmaktan çıkmış kabul edilir. Yapının elastik bölgeden, plastik bölgeye geçtiği noktada "akma" olayı gerçekleştiği kabul edilir. Bu nokta ayrıca ilk burkulma modu olarakta kabul edilebilir. Yapı burkulmaya uğramadan önce lineer bir Yük-Şekil değiştirme eğrisi oluşturur. Burkulmadan sonra yapı kalıcı deformasyona uğradığı için nonlineer bir Yük-Şekil değiştirme davranışı gösterir. Sonlu elemanlar metoduyla, elastoplastik davranışlar incelenmeye çalışılmıştır. Yapılan analizler, farklı panel geometrilerinde ve farklı yükleme durumlarında incelenmeye çalışılmıştır. Son olarak sonuçlara, sonlu elemanların (Ağ boyutu) etkisi, stiffener gövde kalınlığı ve panel kalınlığının etkileri irdelenmiştir.
Gemi pervanelerinde ölçek etkisinin açık su karakteristikleri, kavitasyon oluşumu ve kavitasyon erozyonu üzerinde incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Özsayan, Selahattin ; Korkut, Emin ; 706907 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı

Küresel Isınma günümüzde dünyamızı tehdit eden en önemli sorunlardan biridir. Küresel ısınmanın nedenlerinden bir tanesi olan, gemilerden salınan emisyon gazlarının, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından bir takım kural ve düzenlemelerle azaltılması amaçlanmıştır. Gemilerin emisyon gazlarının salınımını ve işletim maliyetlerini azaltmak için sevk veriminin artırılması son derece önemlidir. Gemilerin genel sevk verimi, pervanenin açık su ve gemi arkasında pervane olduğu sevk durumlarında deneysel ve hesaplamalı (HAD) olarak belirlenir. Tam ölçekte bu testlerin yapılması mümkün olmağından, gemiler ve pervaneler belli bir oranda küçültülür, çekme havuzlarında ve kavitasyon tünellerinde testlerinin gerçekleştirilmesi sağlanır. Sevk veriminin artırılmasında pervane dizaynı son derece önemlidir ve pervanelerin hidrodinamik performansı model deneyinden ve hesaplamalı çalışmalardan (HAD) elde edilen sonuçlara göre belirlenir. Ancak model ve tam ölçek pervane arasında farklı Re sayılarından ötürü akış benzerliği sağlanamaz. Tam ölçekte akış tamamen türbülanslı iken, model ölçeğinde laminar, geçiş bölgesi ve türbülanslı bölge görülür. Bu nedenle, tam ölçek ve model için sonuçlar farklılık gösterir ve bu ölçek etkisi olarak ifade edilir. Bu çalışma kapsamında pervanenin açık su, kavitasyon ve erozyon oluşumu için farklı model ölçeklerinde ve tam ölçekte ölçek etkisi hesaplamalı olarak incelenmiştir. Bölüm 1'de açık su ve kavitasyon oluşumu ölçek etkisi çalışmaları için literatür taramasına yer verilmiştir. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen tüm analizler (açık su, kavitasyon ve erozyon), Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda Bölüm 2'de, HAD yöntemleri, türbülans modellemesi, kavitasyonlu akışı modelleme yöntemleri, kavitasyon modelleri ve kavitasyon erozyonu tahmini yöntemleri için bilgi verilmiştir. Ayrıca çalışma kapsamında kullanılan k-ω SST türbülans modeli için detaylı bilgiye verilmiştir. Gemi pervanelerinde ölçek kavramına, tam ölçek ve model ölçeği arasındaki hidrodinamik benzerliklere, model ölçeğindeki sonuçların tam ölçeğe taşınmasına ve açık su analizleri için ölçek etkisini hesaplayan farklı yöntemlere Bölüm 3'te yer verilmiştir. Ayrıca açık su çalışmasında, kavitasyon ve erozyon çalışmasında boyutsuz olarak incelenecek parametrelere bu bölümde yer verilmiştir. Bölüm 4 ile birlikte çalışmanın hesaplamalı kısmına açık su analizleri ile geçilmiştir. Bölüm 4.1'de çalışmada kullanılan DTMB 5415 pervanesinin özelliklerine, 3 farklı ölçek ve tam ölçek için yer verilmiştir. Bölüm 4.2'de hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından bahsedilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda sonuçlar üzerinde çok fazla etkisi olan parametre, oluşturulan ağ örgüsüdür. Sınır tabaka içerisindeki ağ örgüsü, hücre yan oranları, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken özen gösterilmesi gerekli husustur. Bölüm 4.3'te açık su analizleri için tüm ölçeklerde ağ örgüsünün oluşturulma detaylarına ve ağ görünüşlerine yer verilmiştir. Ölçek etkisi çalışmasında sonuçların ağ yapısından bağımsız olması, düzgün karşılaştırma yapılabilmesi için çok önemlidir. Bu kapsamda itme katsayısı (KT) için 3 farklı ölçekte ve tam ölçekte ağdan bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir ve ağ örgüsünün belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışması Bölüm 4.4'te detaylı olarak incelenmiştir. Bölüm 4.5'te açık su analizlerinde tüm ölçeklerde incelenen akış koşullarına yer verilmiştir. Açık su analizleri 0.2-0.8 arasındaki ilerleme sayılarında gerçekleştirilmiştir. HAD çalışmasının doğruluğu göstermek amacıyla geçerleme çalışması yapılması önemlidir. Bu kapsamda literatürde açık su deney sonuçları bulunan 173 mm çaptaki model pervanenin geçerleme çalışması Bölüm 4.6'da verilmiştir. Analizler sonucunda elde edilen sonuçlar ve kanat üzerindeki y+ dağılımları Bölüm 4.7'de gösterilmiştir. Model ölçeklerinde elde edilen sonuçlar ile tam ölçekten elde edilen sonuçlar Bölüm 4.8'de karşılaştırılmıştır. HAD yöntemleri ve ITTC 1978 yöntemi ile 3 farklı model ölçeği için ölçek etkisi hesaplanmıştır. ITTC 1978 yöntemi ve HAD yöntemi sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlara bakıldığında tüm ölçeklerde, ITTC 1978 yönteminin ölçek etkisini HAD'a göre düşük hesapladığı görülmüştür. Ayrıca HAD yöntemlerinde yüksek ilerleme sayılarında ölçek etkisi artmıştır. Bölüm 5'te hesaplamalı kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerine geçilmiştir. Hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından Bölüm 5.1'de bahsedilmiştir. Açık su analizlerine benzer olarak kavitasyon ve erozyon oluşumu çalışmasında ağ örgüsünün önemi çok daha büyüktür. Hücre yan oranları, sınır tabakada ağ örgüsü, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken dikkat edilmesi gereken noktalardır. Ölçek etkisi çalışmasında farklı ölçeklerdeki yan oranları benzer tutulmuştur. Bölüm 5.2'de tüm ölçeklerdeki ortalama yan oranlara, ağ örgüsü görünüşlerine ve pervane yüzeyindeki ağ örgüsü görünüşüne yer verilmiştir. Kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerinde incelenen akış koşulları Bölüm 5.3'de verilmiştir. Tüm ölçeklerde 4 farklı durum incelenmiştir. Ayrıca erozyon analizlerinde kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişkiyi incelemek için 3 farklı durumda daha, 246.4 mm çaptaki pervane için analizler gerçekleştirilmiştir. Ölçek etkisi çalışmalarında çok önemli olan ağdan bağımsızlık analizi Bölüm 5.4'de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sonuçların zaman adımından bağımsız olduğunu göstermek için de çalışma yapılmıştır. İtme katsayısı (KT) ve yüzey kavitasyon alanı için ağdan ve zamandan bağımsızlık çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ağ örgüsünün ve zaman adımının belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır. Kavitasyon ve erozyon oluşumu için y+ değerlerinin model ölçeklerinde viskoz alt tabakada, tam ölçekte logaritmik tabakada tutulduğu Bölüm 5.5'te pervane yüzeyi üzerinde gösterilmiştir. Kavitasyon analizi sonuçlarında itme, tork ve yüzey kavitasyon alanı sonuçları boyutsuzlaştırılarak ölçek etkisi incelenmiştir. Bölüm 5.6'da incelenen 4 farklı durum için sonuçlar karşılaştırılmıştır. İncelenen tüm durumlarda model çapı büyüdükçe yüzey kavitasyon alanının arttığı, tork katsayısının (KQ) azaldığı tespit edilmiştir. İtme katsayısı (KT) ise bir durum hariç artmıştır. Bu bölümde kavitasyon görülme kavitasyon sayısı da model ölçeklerinde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe kavitasyonun daha büyük kavitasyon sayılarında görülmeye başlandığı tespit edilmiştir. Bölüm 5.7'de ise erozyon tahminleri için ölçek etkisi incelenmiştir. Ölçek etkisi incelenirken pervane kanatlarındaki ortalama erozyon şiddeti değerleri kullanılmıştır ve karşılaştırma yapılabilmesi için bu değerler boyutsuzlaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe boyutsuz ortalama erozyon gücünün (CEP) azaldığı görülmüştür. Kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişki Bölüm 5.8'de incelenmiştir. Bu kısımda da boyutsuz ortalama erozyon gücü (CEP) kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde kavitasyon sayısı azaldıkça CEP değerlerinin başlangıçta arttığı ve maksimuma ulaştığı, daha sonra ise azalmaya başladığı görülmüştür.
Gemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-19) Canyurt, Talat Gökçer ; Ergin, Selma ; 508162007 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Gemiler, dünya çapında mal ticareti ve deniz ulaşımı için kritik role sahip olmaları ile beraber çevreye ve insan sağlığına zarar veren gazlar (emisyonlar) yaymaktadır. Emisyonların kontrolü için çeşitli Emisyon Kontrol Sistemlerine (EKS) başvurulmaktadır. Dizel motorlu gemilerin yaydığı emisyonlar arasında azot oksit (NOX) emisyonları çevreye ve insan sağlığına tehdit oluşturabilirler. Bu nedenle, gemi endüstrisinde NOX emisyonlarının kontrolü için teknolojik çözümler geliştirilmektedir. Gemilerin NOX emisyonlarının kontrolünde en umut vadeden EKS teknolojileri arasında Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) sistemleri gösterilebilir. Günümüz dizel teknolojisi ile Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO)'nün Emisyon Kontrol Alanları (ECA) bölgelerinde geçerli Aşama III emisyon limitleri sağlanamamaktadır. Bu yüzden gemiler için SCR sistemleri üzerine yapılacak araştırmalar önem arz etmektedir. Gemilerin yaydığı NOX emisyonlarının kontrol altına alınabilmesi için yüksek performanslı SCR sistemi tasarımının ortaya konulması önemlidir. Karmaşık kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği SCR sistemlerinde istenmeyen kimyasal reaksiyonlar sonucu EKS metal yüzeylerinde tortu oluşumu meydana gelebilir. SCR sistemlerinde gelişen tortu oluşumu, bu sistemlerde ve motorda çeşitli arızalara neden olabilir. SCR sistemlerinde tortu oluşumunu araştırmak için özgün bir deneysel çalışma ortaya konulmuştur. Deneysel çalışmada düşük gaz sıcaklığı çalışma koşullarında tortu oluşumu detaylı olarak incelenmiştir. "Basit Plaka" adını verilen bu deneysel çalışmada gaz geçen bir kurulumda bulunan plaka üzerine enjektör vasıtasıyla Üre-Su Çözeltisi (ÜSÇ) püskürtülerek kontrollü bir şekilde tortu oluşturulmıştur. Tortu oluşumu nedeniyle ÜSÇ püskürtülen metal plakadaki sıcaklık değişimleri ayrıntılı olarak incelenmiştir.
Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-05-21) Akman, Mehmet ; Ergin, Selma ; 508162011 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Deniz ticaret hacminin yıllara göre büyüme eğilimi, denizcilik alanında birtakım gelişmeleri ve değişiklikleri de beraberinde getirmiştir. Bu büyümeye paralel olarak fosil kaynaklı yakıt tüketiminde ve yakıt fiyatlarında önemli miktarlarda artış gözlenmiştir. Artan yakıt tüketimi ise, gemi kaynaklı sera gazlarının ve diğer emisyonların artmasına neden olmuş, bunun sonucunda hava kirliliği, asit yağmurları, ozon tabakasında incelme ve küresel ısınma gibi canlı yaşamını ve çevreyi tehdit eden olaylar meydana gelmiştir. Daha açık ifadelerle, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından deniz yolu ile taşımacılık kaynaklı sera gazı emisyonlarının küresel toplam sera gazı içerisindeki payının 2012 yılında hesaplanan %2.76'dan 2018 yılında %2.89'a çıktığı bildirilmiştir. Bu gelişmelere istinaden, Uluslararası Denizcilik Örgütü sıkı tedbirler almış ve küresel bazda gemi kaynaklı emisyonların azaltılması ve enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik düzenlemeler yürürlüğe koymuştur. Halen Uluslararası Denizcilik Örgütü, kademeli olarak 2050 yılına kadar gemi kaynaklı sera gazı emisyonlarını yarı yarıya azaltma vizyonuna yönelik gemilerde enerji verimliliğinin artırılması ve kontrol edilmesi için, hesaplanması ve hazırlanmasını zorunlu kıldığı Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyon İndeksi (EEOI) parametrelerini geliştirmektedir. Bu kapsamda IMO, gemilerde enerji verimliliği kontrolünün artırılması ve karbon salınımının daha etkin izlenmesi amaçlarıyla, Mevcut Gemi Enerji Verimliliği İndeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu İndikatörü (CII) gibi göstergeleri de ilerleyen dönemlerde yürürlüğe koyacağını bildirmiştir. Aynı amaçlara ilişkin mevcut uygulamalar ve yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde, gemilerde yeni işletme tedbirlerinin alındığı, yeni nesil sistemlerin ve yenilenebilir enerjinin gemilerde kullanılmasının yaygınlaştırılmaya çalışıldığı görülmektedir. Özellikle ticari gemiler için denizcilik şirketleri, hız kesme, rota optimizasyonu, balast ve trim optimizasyonu ve zamanında operasyon gibi birtakım işletme ağırlıklı uygulamalara gitmekte, makine üreticileri ve araştırmacılar ise mevcut sistemlerin performansının iyileştirilmesi, hibrit sevk sistemlerinin, çift yakıtlı makinelerin, gaz motorlarının ve alternatif sevk sistemlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yürütmektedir. Mevcut gemilerin ana sevk sistemleri incelendiğinde, halen dizel motorların, küçük teknelerden dev ticaret gemilerine kadar her türlü gemide yaygın olarak kullanıldığı görülür. Köklü geçmişi, yüksek ısıl verimleri ve torkları sebebiyle dizel motorlar, gemilerde alternatif sevk sistemleri yerine tercih edilmektedir. Verimliliklerine rağmen dizel motorlardaki yakıtın ısıl enerjisi, büyük oranda egzoz gazı ve soğutma süreçlerinde kaybedilmektedir. Öte yandan, gemi dizel motorlarında yakılan ağır ya da deniz tipi dizel yakıtlar ise kimyasal içerikleri ve yanma karakteristikleri sebepleriyle azot oksit (NOX), kükürt oksit (SOX), partikül maddeler (PM), karbon dioksit (CO2), karbon monoksit (CO) ve uçucu organik bileşikler (VOCs) gibi çevre ve canlı yaşamına tehdit oluşturan emisyonların oluşumuna neden olmaktadır. Bu bağlamda, emisyonların etkilerini azaltmak amacıyla çift yakıt yakabilen motorlar geliştirilmekte, özellikle emisyon kontrol bölgelerinde (ECA) bu makinelerle çalışan gemilerin sayıları artırılmaktadır. Çift yakıtlı makineler, pilot yakıt olarak kullanılan dizel yakıtla beraber LNG, LPG, metanol gibi gazları başlıca yakıt olarak kullanırlar. Dizel makinelerde olduğu gibi bu makinelerde de soğutma ve egzoz ısıl yükü benzer seviyelerde olup, atık ısı geri kazanımı hususu, gemilerde enerjinin etkin kullanılması açısından büyük öneme sahiptir. Dizel motorlarda olduğu gibi, çift yakıtlı makinelerde başlıca atık ısı kaynakları, yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazıdır. Bu tür içten yanmalı makinelerdeki atık ısı kaynaklarının düşük ve orta kalitede olmalarından dolayı, enerji geri kazanımı konusunda organik Rankine çevrimi önemli avantajlar sunmaktadır. Klasik Rankine çevrimine kıyasla bu sistemde, düşük sıcaklıklarda gaz fazında çalışabilen organik yapıda iş akışkanları kullanılmaktadır. Düşük kalitedeki atık ısı kaynaklarından enerji geri kazanımıyla, yakıt tasarrufunun sağlanması, emisyon azaltımı, mekanik enerji geri kazanımı dolayısıyla da güç üretim sistemindeki ısıl verim artışı ORC sisteminin sunduğu en önemli avantajlardan olup, bu sistemlerin son dönemde gemilerde de kullanılmaya başlanması denizcilik alanındaki önemli gelişmelerdendir. Konunun önemi ve son gelişmelere istinaden hazırlanan bu tez çalışmasında, uluslararası isterlerin karşılanması, emisyon salınımının azaltılması ve yakıt tasarrufunun sağlanması ihtiyaçlarını karşılayacak düzeyde, 18.2 MW gücünde çift yakıtlı (LNG+MDO) bir makinenin yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarını nitelikli işe çevirmek üzere tasarlanan ve organik Rankine çevrimi prensibine göre çalışan, iki atık ısı geri kazanım sistemi modellenmiş ve sistemlerin performansları incelenmiştir. İlk sistem, atık ısı kaynaklarının tamamının kullanıldığı birleşik organik Rankine çevrimi (BORC), ikinci sistem ise, çevrim içi enerji etkinliğinin artırıldığı Rejeneratörlü-birleşik organik Rankine çevrimi (RBORC)'dir. Sistemlerin, enerji, ekserji, ekonomik, ekolojik ve elverişlilik yani "5E" analizleri yapılmış, termo-ekonomik performansları çok amaçlı genetik algoritma aracılığıyla optimize edilmiştir. Analizler için MATLAB Script bölümünde kodlar oluşturulmuş, Refprop 9.0 veritabanı kullanılarak termodinamik değerler kodlara entegre edilmiş ve ORC sistemlerinin 5E analizi ile bu analizler kapsamındaki optimizasyon işlemlerinde kullanılmak üzere yeni bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Sistemlerde iş akışkanı olarak ise, düşük küresel ısınma potansiyeli ve ozon tahribat potansiyeline sahip doğal hidrokarbonlar, hidroflorokarbonlar ve yeni nesil hidrofloroolefinler kullanılmıştır. Çevrimlerde kullanılan R601 ile R601a doğal hidrokarbon, R245fa ile R236ea hidroflorokarbon ve R1234ze ile R1234yf de hidrofloroolefin türünden iş akışkanlarıdır. Yapılan termal analizler, kaynak sıcaklığına ve ana makinenin yüküne bağlı olarak değişken sıcaklık, basınç ve kütle debisi altındaki parametrik çalışmaları içermektedir. Yeni nesil güç üretim sistemlerinin performanslarının araştırıldığı çalışmada, çift yakıtlı makinenin Tier II ve Tier III çalışma modlarının ORC sistemlerin performanslarına etkileri de incelenmiştir. Ek olarak, yapılan çalışmada termo-ekonomik performansların değerlendirilmesinde geminin türü de dikkate alınmıştır. Nitekim, atık ısı potansiyelleri aynı olsa dahi gemilerin türü, operasyonel profillerinin farklı olmasından dolayı sonuçları etkilemekte ve sistemlerin gemiler için doğru bir yatırım olup olmadığı konusunda şüphelere neden olmaktadır. Öte yandan, mevcut gemilerde makine dairesinin hacmi ve çalışma ortamı dikkate alındığında, tasarlanacak sistemler makine dairesine boyutsal açıdan uygun olmalı ve bu sistemlerde kullanılan iş akışkanlarının olası yangın ya da patlama riskleri minimum seviyede olmalıdır. Bu bağlamda, yeni bir yaklaşımla, atık ısı geri kazanım sisteminin gemiye uygulanabilirliği hususu elverişlilik analizi altında araştırılmış, sistemlerin güç yoğunlukları hesaplanarak kütle ve hacim değerleri tahmin edilmiş ve sistemlerin emniyet değerlendirmesi için iş akışkanlarının emniyet faktörleri hesaplanmıştır. Çift yakıtlı makinenin atık ısı analizi sonuçlarına göre, makine yükünün ve emisyon kontrol modlarının (Tier II-Tier III) atık ısının kalitesini ve miktarını önemli derecede değiştirdiği tespit edilmiştir. Güç üretim sisteminde bulunan egzoz gazı devridaim (EGR) ünitesi Tier III modda devreye girmekte ve bu süreçte gerçekleşen egzoz gazının bir miktarının emme havası ile karıştırılması ve silindire gönderilmeden önce soğutulması işlemi, süpürme havası soğutucusunun ısıl yükünü önemli derecede artırmaktadır. Tier III çalışma moduna geçildiğinde süpürme havası soğutma yükünün, EGR sistemi pasif durumda bulunan Tier II modundaki soğutma yüküne kıyasla yaklaşık %70 oranında arttığı görülmüştür. Bu nedenle, Tier III çalışma modunda sisteme birim zamanda daha fazla atık ısı girdisine istinaden Tier II moduna kıyasla daha fazla güç elde edilmiştir. ORC AIGK sistemlerinden Tier III çalışma modu altında elde edilen net güçler Tier II çalışma modundaki değerlere göre yaklaşık %35-%45 oranında daha fazladır. Aynı şekilde, Tier III çalışma modunda, Tier II'ye kıyasla iş akışkanlarının kütle debilerinin ve pompa güçlerinin yaklaşık %40 oranında arttığı belirlenmiştir. Ek olarak, EGR sisteminin devreye girmesiyle birlikte Tier III çalışma modunda silindir içerisinde azalan alev sıcaklığı neticesinde oluşan NOX miktarı, Tier II moddakine kıyasla %71.6 oranında daha azdır. Bu azalmaya ek olarak, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin gemilere entegrasyonuyla, Tier III çalışma modu altında ve %85 MCR'de yaklaşık 4000 ton CO2 ve 40 ton NOX emisyonunun atmosfere salınımının engellenebileceği hesaplanmıştır. ORC sistemlerinin çift yakıtlı ana makineye entegre edilmesiyle ana güç üretim sisteminin ısıl veriminin %10'a kadar artırılabileceği belirlenmiştir. Yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarının ORC sistemlerinde beraber değerlendirilmesiyle daha fazla ısı girdisine binaen daha fazla güç üretilmiştir. Atık ısı kalitelerinin, çevrim performansı üzerinde çok etkili olduğu, kaynak sıcaklıklarının yükselmesiyle çevrim içi yüksek sıcaklık ve basınçlara çıkılması sonucunda daha fazla güç üretildiği ve ısıl verimlerin arttığı tespit edilmiştir. Umulduğu gibi, rejeneratörlü birleşik çevrimin, birleşik çevrime kıyasla termodinamik performansı daha yüksektir. Aynı çalışma koşulları altında RBORC sisteminin ısıl veriminin BORC sisteminin ısıl veriminden yaklaşık %11 daha fazla olduğu görülmüştür. Ayrıca, rejeneratörlü birleşik çevrimde gerçekleştirilen çevrim içi ısı transferi ile ön ısıtma işlemi, ekserji yıkımlarını azalttığı için çevrimin ekserji verimi birleşik çevrime kıyasla daha yüksektir. Bu çevrimde aynı birim ısı girdisinde daha fazla güç üretildiği için sistemin ekolojik performansı da daha iyidir. Öte yandan rejeneratörlü birleşik çevrimin özgül yatırım maliyeti birleşik çevrime kıyasla bir miktar yüksek olsa da üretilen güç ve enerji verimliliği bakımından rejeneratörlü çevrim tercih sebebidir. Elverişlilik analizine göre, ORC AIGK sistemlerinin tahmini hacimlerinin eşdeğer 5 TEU ile 15 TEU arasında değişebileceği öngörülmektedir. Bu veriler, mevcut gemilerin makine dairelerinde önemli değişiklikler gerekebileceğini göstermektedir. Öte yandan, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin tahmini kütlesinin analizlerde kullanılan çift yakıtlı makinenin kütlesinin yaklaşık% 10 -%15'ine karşılık geldiği hesaplanmıştır. ORC sistemleri için hesaplanan kütle değerleri, bu güçte bir ana makine ile sevk edilen gemilerin ağırlığı düşünüldüğünde önemsiz gibi görünse de sistemlerin kurulu bulunacağı bölgede lokal mukavemetin iyileştirlmesi gerekebilir ve gemi stabilitesi revize edilebilir. Öte yandan emniyet değerlendirmeleri, doğal hidrokarbonların yüksek derecede yanıcılıkları sebebiyle deniz tipi ORC sistemleri için uygun olmadığını göstermektedir. En düşük emniyet faktörüne sahip olan R236ea, iş akışkanları arasında deniz tipi bir ORC sistemi için en uygun iş akışkanıdır. Ayrıca R236ea ile aynı türden olan R245fa, yüksek derecede toksik olsa da tatmin edici bir termodinamik performansa sahip olduğundan gerekli emniyet tedbirleri altında gemilerde ORC sistemlerinde iş akışkanı olarak kullanılabilir. Hidrofloroolefinlerin ise, düşük yanıcılıkları ve toksisiteleri ile emniyet açısından gemilerde kullanımının uygun olduğu değerlendirilmektedir. Termal analiz ve termo-ekonomik optimizasyon sonuçlarına göre, doğal hidrokarbonların, hidroflorokarbon ve hidrofloroolefinlere kıyasla termodinamik ve termo-ekonomik performanslarının daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Hidroflorokarbonlardan R245fa'nın performansının doğal hidrokarbonların performanslarına yakın olduğu, R236ea'nın da düşük emniyet faktörü ve toplam maliyeti göz önüne alındığında gemiler için uygun bir iş akışkanı olabileceği sonucuna varılmıştır. Hidrofloroolefinler emniyet açısından gemiler için uygun görünse de termo-ekonomik performansları oldukça düşüktür. Ayrıca, ana makinenin çalışma profilinin sisteminin geri ödeme süresini önemli derecede etkilediği, gemilerde kullanılacak ORC sisteminin, entegre edilecek gemi türünün operasyonel profili dikkate alınarak tasarlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Sonuçlara göre tankerlerin, ortalama makine yüklerinin kuru yük ve konteyner gemilerine göre daha fazla olmasından dolayı ORC sistemleri için termo-ekonomik olarak en uygun gemi türü olduğu görülmüştür. Özellikleri verilen çift yakıtlı ana makineye sahip gemilere RBORC AIGK sistemi entegre edildiğinde, sistemin geri ödeme süresinin tanker için ortalama 7 yıl, kuru yük gemisi için ortalama 9 yıl, konteyner gemisi için ise ortalama 12 yıl olacağı tahmin edilmektedir. Sonuç olarak, analiz edilen sistemlerle organik Rankine çevrimi tabanlı atık ısı geri kazanım sistemlerinin, son dönem emisyon ve enerji düzenlemeleri göz önünde bulundurulduğunda, denizcilik alanında kullanımının yaygınlaştırılması gerektiği değerlendirilmektedir. Çünkü bu sistemlerle, yağlama yağı gibi oldukça düşük sıcaklıklardaki ısı kaynaklarından bile enerji geri kazanımı sağlanabilmektedir. Deniz taşımacılığı kaynaklı hava kirliliğinin azaltılması, gemilerin enerji verimliliğinin artırılması, gemi sahiplerinin ve denizcilik şirketlerinin bu sistemlerden istifade etmeleri dolayısıyla uluslararası düzenlemelere uyulması ve sağlanacak yakıt tasarrufuyla da denizcilik ekonomisine katkıda bulunulması hedefleri için ORC esaslı sistemler, gemiler için umut vermektedir.
Hidrostatik basınç altındaki denizaltı mukavim teknesinin sonlu elemanlar metodu ile optimum yapısal tasarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-22) Eyiler, Burak ; Bayraktarkatal, Ertekin ; 508191006 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği

Mukavim tekne, hidrostatik basınç altında denizaltıların görevlerini sorunsuz bir şekilde idame ettirebilmesi için çevresel yüklere dayanmasını sağlayan en önemli yapısal bileşenidir. Denizaltı mukavim teknesi tasarımından maksimum verimlilik için bazı amaç fonksiyonları esas alınmaktadır. Bunlar maksimum mukavemet ve iç hacim nezdinde minimum ağırlığa sahip yapılardır. Sephiye faktörü olarak dikkate alınan ağırlık/hacim oranı denizaltı mukavim teknesi tasarımlarında değerlendirilen önemli bir parametredir. Yapısal verimlilik açısından bu değerin minimum olması istenmektedir. Denizaltı ömrü boyunca icra edeceği görevler nezdinde değişen dalış derinliklerine bağlı olarak hidrostatik yüklere maruz kalmaktadır. Bu dalış derinlikleri denizaltı mukavim teknelerinin kullanım ömrü başta olmak üzere tasarımlarına etki eden birincil bileşenlerdir. Denizaltı mukavim teknesi göçme derinliğindeki basınçta burkulmaya maruz kalmaktadır. Denizaltıların yapısal olarak stabil olabilmeleri için burkulma kaynaklı oluşacak deformasyonlara karşı dayanaklı olması gerekir. Bu tez kapsamında gerek mukavim tekne yapısal elemanların boyutlandırılması gerekse kritik burkulma basınçlarının hesaplamalarında göçme dalış derinliği basıncı esas alınmıştır. Denizaltı mukavim tekne yapısal elemanların boyutlandırılmasında Dohan Oh ve Bonguk Koo tarafından optimum yapısal tasarım için önerilen yaklaşım kullanılmıştır. Dohan Oh ve Bonguk Koo yapmış oldukları araştırma sonucunda kabuk kalınlığı, flenç genişliği, flenç kalınlığı, web yüksekliği ve web kalınlığı için yarıçap, akma dayanımı ve tasarım basıncı ile bağlantılı ağırlık optimizasyona yönelik ilk boyutlandırma formülleri bulmuşlardır. Çalışma sonucunda ise mukavim tekne ağırlığının % 6 ila % 19 arasında azaldığını keşfetmişlerdir. Ayrıca bu tez kapsamında askeri standartlara göre de mukavim tekne tasarlanarak sonuçlar kıyaslanmıştır. Askeri standartlara göre ele alınan yaklaşımın mukavim teknenin optimum tasarımı açısından elverişsiz olduğuna ulaşılmıştır. Denizaltı mukavim tekne yapı malzemesi olarak yüksek akma dayanımına sahip alaşımlama veya ısıl işlemle üretilmiş HY sınıfı çelikler kullanılmaktadır. Bu çelik malzemeler yüksek elastisite modülü avantajları ile burkulma hasarlarından kaçınarak tasarım yapmayı mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan tüm mukavim tekne yapısal elemanlarının tümünde HY100 çeliği kullanılmıştır. Denizaltı mukavim teknesi tasarımlarında burkulma mukavemetinin arttırılması için yapıda takviye elemanları kullanılmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde farklı geometride takviye elemanlarının kullanıldığı görülmüştür. Bu tezde takviye elemanı olarak T ve lama kesitleri tercih edilmiştir. Günümüz gemi konstrüksiyonları incelendiğinde nihai mukavemet için boyuna ve enine elemanların kullanıldığı farklı sistemler görülmektedir. Bu çalışmada T ve lama takviye elemanlarının kullanıldığı enine, boyuna ve hem enine hem boyuna (kombine) sistemler incelenerek en optimum tekne geometrisi araştırılmıştır. Lama ve T takviyeli sistemlerin tasarımında aynı kesit atalet momenti yapıları kıyaslamada esas alınmıştır. Tekne içi kullanılabilir hacim avantajları nedeniyle takviye elemanlarının mukavim teknenin dış kısmında kullanıldığı dıştan takviyeli sistemlerde tasarlanmıştır. Denizaltı mukavim teknesi hidrostatik basınç altında kabuk kararsızlığı ve genel kararsızlık olmak üzere iki farklı hasar davranışı göstermektedir. Bunlardan kabuk kararsızlığı takviyeler arası desteklenmeyen kabuk uzunluğunun deformasyona uğradığı asimetrik ve simetrik burkulma şekilleridir. Genel kararsızlık burkulma şekli ise takviyelerin kesit atalet momentlerinin yetersizliğinden kaynaklanan takviyelerle birlikte yapının burkulmasıdır. Bu çalışmada kabuk ve genel kararsızlık deformasyonuna sebep olacak kritik burkulma basınçlarının hesapları için DNV-GL klas kuruluşu nezdinde David Taylor model havuzunda yapılan deneysel çalışmalar baz alınarak üretilen formüllerden yararlanılmıştır. DNV-GL hesapları temel alınarak hesaplanan kritik burkulma basınçlarının akabinde öz değer burkulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Genel kararsızlık burkulma şeklinin gözlendiği bu analiz sonucuna, DNV-GL klas kuruluşu nezdinde hesaplanan kritik burkulma basıncının yakınsadığı gözlenmiştir. Optiumum tekne yapısının araştırıldığı bu çalışmada aynı ağırlık değerinde farklı takviyelerin kullanıldığı sistemlerde maksimum kritik burkulma basıncı araştırılmıştır. Optimizasyon çalışması için Ansys'in optimizasyon aracı burkulma analizine bağlanmıştır. Optimizasyona temel teşkil eden giriş parametreleri olarak kabuk, web ve flenç kalınlıkları düşünülmüştür. Çıktı parametreleri olarak ağırlık, kritik burkulma basıncı ve kullanılabilir iç hacim belirlenmiştir. Optimizasyon çalışması sonucu flenç kalınlığının kritik burkulma basıncıyla iyi bir korelasyon yakaladığı gözlenmiştir. İdeal geometrinin araştırıldığı sonlu elemanlar analizleri sonucunda reelde de birçok denizaltı mukavim teknesi tasarımında da kullanılan T takviyeli enine sistemlerin ağırlık/mukavemet açısından uygun olduğu görülmüştür. Her ne kadar kullanılabilir iç hacim açısından dıştan takviyeli sistemler avantajlı olsa da mukavemet açısından istenilen sonuçlar elde edilememiştir. Boyuna takviye elemanlarının kullanıldığı sistemler burkulma mukavemeti açısından değerlendirildiğinde bu takviyelerin yapıları desteklemede çok yetersiz kaldığı görülmüştür. Kombine sistemlerin enine içten takviyeli sistemlere göre aynı kritik burkulma basıncında daha ağır kaldıkları görülmüştür. Optimum destek tipi olarak, T takviyelerin burkulma açısından lama profillere göre daha efektif olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı ağırlıkta tasarlanan mukavim tekneleri azalan kritik burkulma basıncına göre sıralayacak olursak: enine içten takviyeli sistem, enine dıştan takviyeli sistem, kombine içten takviyeli sistem, kombine dıştan takviyeli sistem, boyuna içten takviyeli olmaktadır.
Investigation of the effects of alternative fuel use on performance and emissions in a compression ignition (CI) diesel engine

(Graduate School, 2024-01-11) Ekin, Ferhat ; Özsosyal, Osman Azmi ; Arslan, Hikmet ; 508162013 ; Naval Architecture and Marine Engineering

Undoubtedly, one of the most crucial options under investigation for enhancing performance and emission characteristics in internal combustion engines (ICEs) is the adoption of alternative fuels. It is of utmost importance that these alternative fuels are compatible with engine operation and do not lead to substantial structural alterations in the engine. These fuels need to be thermodynamically compatible with the engine and environmentally friendly. Key characteristics to look for in alternative fuels include having high reserves, high energy density, and causing minimal emissions. Due to possessing all these features, natural gas and hydrogen fuels hold significant importance among alternative fuels. Natural gas and hydrogen fuels are thermodynamically compatible with engines that operate on both Otto and Diesel cycles. Their ability to be used in internal combustion engines as alternative fuels without causing significant structural changes paves the way for their application. Furthermore, their lower emissions contribute to their appeal. In a compression-ignition (CI) engine, natural gas and hydrogen fuels, along with diesel fuel, can be used by mixing the gaseous fuel with intake air through a low-pressure injector in the manifold. Subsequently, ignition is achieved by injecting pilot diesel fuel onto the compressed charge during the compression process. The combustion technology that occurs in CI engines through this method is called "Dual-Fuel" combustion. The combination of the high energy density of natural gas and its environmentally friendly nature, coupled with the high thermal efficiency of the diesel engine, results in both efficient and environmentally friendly operating conditions. In high compression ratio CI (Compression Ignition) engines, natural gas with a high octane number can be used directly in a premixed form without causing knock up to a certain compression ratio. When it comes to hydrogen fuel, it is known that its use in compression-ignition engines is highly suitable, just like natural gas, and it does not require any structural changes in the engine. The advantages of natural gas, such as its low carbon-to-hydrogen ratio, and the absence of this ratio in hydrogen, combined with their high energy densities, have increased the interest in these gaseous fuels. This situation has motivated the current thesis work. The impact of CI engines on air pollution worldwide, along with the economic and high-energy capacity characteristics of natural gas and hydrogen, strengthens the case for the alternative use of these gas fuels. The environmentally friendly and high-performance attributes of natural gas, combined with hydrogen's rapid and extensive ignition range, along with its high mass-specific energy density, have shed light on the application of these two gas fuels together in CI engines. Utilizing these advantages, the current thesis work has not only improved performance values but has also met the increasingly stringent emission limit values. The thesis work involved the numerical modeling of an experimental study based on the literature, utilizing the ANSYS Forte CFD program. In the experimental part, the energy in a partially loaded (25% - 4.05 BMEP) compression-ignition diesel engine was supplied by 25% diesel fuel and 75% natural gas fuel. Different diesel fuel injection advances (10°, 14°, 18°, 22°, 26°, 30°, 34°, 38°, 42°, 46°, and 50° CA BTDC) were investigated at a constant engine speed (910 rpm) to explore their effects on performance and emission values. The test results were compared with the obtained numerical results to validate the established model. Subsequently, using the validated numerical model, parametric studies involving hydrogen in combustion were conducted. Parametric studies were conducted in two stages. In the first stage, the effects of energy fractions of natural gas and hydrogen, as well as diesel fuel injection advances, were examined. Two fundamental principles guided the energy fractionation. In the first principle, the total fuel input energy under test conditions remained constant, while a portion of the natural gas energy was gradually transferred to hydrogen fuel. The diesel-derived energy fraction was kept constant at 25%, while the remaining 75% was allocated between natural gas and hydrogen fuels. These operating points were named Mode 1, also known as the energy-sharing mode for gas fuels. For Mode 1, the energy sharing ratios were established as D25NG75H00 (test case), D25NG65H10, D25NG50H25, D25NG25H50, and D25NG00H75. The second principle involved maintaining the diesel and natural gas energy ratios (25% diesel and 75% natural gas) constant, while providing extra energy input to the system through the inclusion of hydrogen. These operating points were labeled as Mode 2, also referred to as the hydrogen enrichment mode. For Mode 2, the operating points resulting from hydrogen enrichment were designated as D25NG75H00 (test case), D25NG75H05, D25NG75H10, D25NG75H15, D25NG75H20, and D25NG75H25. Various fuel energy fractions for both Mode 1 and Mode 2, combined with different diesel fuel injection timings (10°, 14°, 18°, 22°, 26°, 30°, 34°, and 38° CA BTDC), were examined to analyze their effects on performance and emission values. Among the examined values, it was observed that the operating points D25NG50H25 (14° CA BTDC for SOI) for Mode 1 and D25NG75H15 (10° CA BTDC for SOI) for Mode 2 produced more reasonable results in terms of both engine performance and exhaust gas emissions compared to other operating points. The optimal condition obtained for Mode 1 resulted in improvements of 21%, 29%, 88%, 86%, and 77% for power, BSFC, HC, CO, and SOOT (PM), respectively. For Mode 2, the optimal condition yielded improvements of 36%, 22%, 76%, 80%, and 83% for the same parameters. However, when comparing both Mode 1 and Mode 2 test conditions, the higher cylinder combustion temperatures due to hydrogen led to higher NOx and MPRR values. While there was a 12% increase in NOx for Mode 1, Mode 2 showed an increase of 11%.
İçten yanmalı motor egzoz manifoldunun sayısal modellenmesi ve incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Benek, Görkem ; Özsoysal, Osman Azmi ; 692492 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği

Dünya ticaret hacmini oluşturan insan ve yük taşımacılığında kullanılan araçların büyük çoğunluğunda içten yanmalı motorlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorların geniş bir kullanım alanına sahip olmasının nedeni olarak bu motorlardan geniş bir yelpazede güç elde edilmesi ve performanslarının yüksek olması gösterilebilir. İçten yanmalı motorlarda alt ısıl değeri yüksek olan fosil yakıtlar, biyodizeller ve hidrojen bazlı yakıtlar kullanılabilir. Fakat tedarik zinciri ve üretim maliyetleri ele alındığından içten yanmalı motorlarda en fazla fosil yakıtlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlar ele alındığında, bu motorlar karbon başta olmak üzere yüksek emisyon oranlarına sahiptir. İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan emisyonlar sera gazı etkisine neden olmakta ve küresel ısınmanın en önemli etkenlerinden biri sayılmaktadır. Günümüzde yakıt verimliliğinin artması dolayısıyla yakıt tüketiminin azalması oldukça büyük önem kazanmıştır. Çevreye verilen zararların azaltılması için, hem hidrojen tabanlı yakıtlar üzerine çalışmalar hem de içten yanmalı motorların ısıl ve mekanik verimlerini yükseltmeye yönelik çalışmalar güncel şekilde devam etmektedir. Gelişen bilgisayar teknolojisi ile içten yanmalı motorların enerji verimliliğini arttırmaya yönelik çalışmalar, bilgisayar ortamında model oluşturularak yapılmaya başlanmıştır. Bu sayede yapılan geliştirme çalışmaların, hızlı, pratik, ucuz ve çevreye verdikleri zararın minimum olması amaçlana gelmiştir. İçten yanmalı motorların çalışma çevriminde gaz akışı ve yanma olayları gerçekleşmektedir. Basit bir şekilde anlatılacak olursa motorun giriş kısmından hava emilir, emilen havanın silindir içerisinde yakıt ile karışmasıyla yanma olayı gerçekleşir. Yanma olayından elde edilen enerji silindir vasıtasıyla hareket enerjisine dönüştürülür. Yanma sonrasında açığa çıkan egzoz gazları da içten yanmalı motorun dışına egzoz sistemi yardımıyla atılır. İçten yanmalı motorlar bilgisayar ortamında modellenirken akış ve yanma olayları modellenmektedir. Bu motorların çalışma çevrimi karışık olduğundan emme, yanma ve egzoz adımlarının ayrı ayrı incelenmesi modelleme çalışmalarına hız ve pratiklik getirmektedir. İçten yanmalı motor içindeki gaz akışı modellenirken akış, sıkıştırılabilir akış olarak kabul edilir. Sıkıştırılabilir akış modellenirken Navier Stokes denklemleri kullanılır. Fakat kullanılan bu denklemler analitik olarak çözülemeyen veya çözülmesi zor olan diferansiyel denklemlerdir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellerinde bu denklemleri çözmek için farklı yaklaşımlar ve basitleştirmeler kullanılır. Akış koşulları ve sınır şartları belirlenerek oluşturulan model bu çalışmada sonlu hacimler yöntemi kullanarak çözülmüştür. Sonlu hacimler yöntemi kapsamında oluşturulan model çok küçük hacimlere bölünmüş ve bu hacimlerde Navier Stokes denklemleri çözülmüştür. Bilgisayar ortamında oluşturulan akış probleminin çözümünde çeşitli paket programlar kullanılmaktadır. Genel olarak bu paket programlara, kullanıcı dostu olması açısından müdahale imkanı kısıtlıdır. Bu programlarda model oluşturulur, sınır şartları girilir. Programa tanımlanmış olan çözüm yöntemlerinin içinden uygun olan seçilerek programdan sonuçlar elde edilir. Bu çalışma da ise OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) programı kullanılmıştır. Bu program açık kaynaklı olup isteyen herkesin ulaşımına açık bir programdır. Bu program kapsamında belirli bir algoritma oluşturulmuş ve programın kodları herkesin paylaşımına açılmıştır. Modele ait geometri ve sınır şartlarınının yanı sıra çözüm yöntemleri de dahil olmak üzere her koda müdahale imkanı verilmiştir. Uygun sınır koşullarını veya çözüm yöntemlerini programın içine aktararak kendi probleminize ait düzenlemeleri rahatlıkla uygulama imkanı sunmaktadır. Programın bu imkanları ve açık kaynak olması ele alındığında bu tez çalışmasında kullanılması uygun görülmüştür. Bu tez çalışmasında gemi dizel motorunun egzoz manifold içindeki egzoz gazlarının hız ve basınç dağılımları ve türbülans karakteristikleri incelenmiştir. Gemi dizel motorunun egzoz valfleri ve manifoldu içindeki değerleri kullanılarak manifold içindeki gaz akışı modellenmiştir. Bu çalışmada 3.96 litre hacminde 16 silindire sahip V tipi gemi dizel motorunun egzoz manifoldu kullanılmıştır. Gemi dizel motoru dört stroklu olup türboşarjlıdır. İncelenmek için seçilen motor bloğundaki ateşleme sırası 5-2-8-3-4-6-1-7 şeklindedir. Manifold içindeki akış modellenirken, egzoz valflerinden manifolda doğru giren egzoz gaz akışı sırası ve zamanlaması bu ateşleme sırasına göre oluşturulmuştur. Gemi dizel motorunun manifoldu modellenirken 1:1 ölçek kullanılmıştır. Manifoldun geometrisi, egzoz gazlarının hız ve basınç değerleri, egzoz valflerinin açılma zamanlaması ve ısı transferi ele alındığında egzoz manifoldu modellenirken belirli bir ölçek kullanarak boyutların küçülmesi sağlanamamıştır. Modellenen egzoz manifoldu 1820 mm uzunluğunda, 130 mm çapındadır. Egzoz valfi ile manifold arasındaki bağlantı borularının uzunluğu 145 mm'dir. Bağlantı borularının egzoz valfi tarafındaki çapı 80 mm, manifolda bağlandığı noktalardaki çapı 50 mmdir. Manifoldun boyutlarını ölçeklendirerek küçültemediğimizden sonlu hacimler metodunu uygulamak için oluşturulan hücre sayılarında yüksek adetlere çıkılmak zorunda kalınmıştır. Oluşturulan modelin hücre sayısından bağımsızlığını gösterebilmek için model ağ örgüsü kaba (coarse), orta (medium) ve sık (fine) olmak üzere üç farklı sıklıkta hücre sayısına bölünmüştür. Bunlardan kaba olan ağ örgüsü 1.3 milyon hücre, orta olan ağ örgüsü 1.8 milyon hücre ve sık olan ağ örgüsü 2.3 milyon hücreden oluşmaktadır. Oluşturulan problemde çözülecek olan denklem sayısının fazlalığı, zamana bağlı değişimler ve hücre sayısı göz önünde bulundurulduğunda çözüm süresinin uzun olduğu bilinmektedir. Egzoz manifold modeli uygun denklemler ve sınır şartları kullanılarak zamana bağlı olarak çözüldüğünde elde edilen verilerin, gerçek gemi dizel motoru üzerinden alınan değerlerle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde manifold içinde türbülansın ve basınç dalgalanmalarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan bu basınç dalgalanmasının, manifold çıkışında bulunan türbine akışın lineer girememesi ve türbin veriminin düşmesine neden olduğu görülmüştür. Ayrıca egzoz valflerinin açılması esnasında valf civarında yüksek basınç oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu durum manifold içinde basınç kayıplarına yol açmakta ve süpürme veriminin düşmesine yol açmaktadır. Egzoz manifoldu içindeki basınç kayıplarını, türbülansı ve basınç dalgalanmasını azaltmak için manifoldun kapalı ucuna kör boru eklenmiştir. Kör boru eklenmesi ile oluşan yeni egzoz manifold modeli çözülerek manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerleri incelenmiştir. Eklenen bu hacim özellikle kör uca yakın bulunan silindir bağlantı borularındaki basınç değerlerini azaltarak egzoz manifoldu içindeki basınç dağılımının düzenlenmesini önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca duvarlardan gelen basınç dalgalarını yansıtarak akışı zayıflatarak manifold ve ara bağlantı boruları boyunca daha yumuşak basınç değişimlerine neden olduğu ve özellikle kör uç tarafında türbülansın azaltılmasına yardımcı olduğu görülmüştür. Sonuç olarak manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerlerinde kayıpların azaldığı yönünde değişimler görülmüştür. Bu çalışmanın devamında optimize edilmiş herhangi bir ek hacim geometrinin, silindirlerin performans özelliklerini daha da iyileştireceği düşünülmektedir.
İstanbul şehir hatları vapurları ana tahrik sisteminin hidrojen yakıt hücresine dönüşümünün tekno-ekonomik incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Özgül, Murat ; Özsosyal, Osman Azmi ; 810673 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı

19.yy'da başlayan sanayi çağı ile birlikte insan gücünün yerini makine gücü almış ve büyük üretim çağı başlamıştır. Serbest piyasa ekonomisi teorisinin ortaya atılması ve yaygınlaşmaya başlaması ile birlikte yeni ticaret rotalarının oluşturulması ile üreticiler mallarını dünyanın diğer ucuna daha hızlı ve güvenilir bir şekilde ulaştırma ihtiyacı duymuşlardır. Fakat bu çağ ile başlayan üretim, ticaret ve ulaştırma sektörlerindeki büyüme sebebiyle atmosfere salınan sera ve tehlikeli gazlar sebebiyle tüm canlıların yaşamı olumsuz etkilenmiştir. Ulaştırma sektörü kaynaklı atmosfere salınan gazların büyük çoğunluğunu denizcilik sektöründen kaynaklanmaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından bu konu dikkatle incelenmiş ve gemi inşa ve işletmeciliği alanında birçok kısıtlama ve yenilikler zorunlu kılınmıştır. Bu kısıtlamalardan dolayı gemi inşa sektörü klasik tahrik sistemlerinin yerine alternatif çözümlere yönelmeye başlamış ve birçok yeni teknoloji sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), elektrik motorları vs.) gemilere uygulanmaya başlamıştır. Bu alternatif yöntemlerinden bir tanesi de Hidrojen yakıt hücreleridir. Bu tezin amacı İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan vapur ve gemilerin muhtemel hidrojen yakıt hücresi tahrik sistemleri ile inşa edilebileceği veya tahrik sistemlerinin hidrojen yakıt hücreli tahrik sistemlerine muhtemel dönüşümü hakkında bir kaynak oluşturmak ve karar vericilere destek sağlamaktır. Bu çalışmada ilk bölümde küresel ısınma ve iklim değişikliği hakkında yapılan araştırma ve çalışmalardan yararlanılarak bilgiler verilmiştir. Ayrıca IMO tarafından tehlikeli gazların salınımını azaltmak adına gemi işletmeciliği alanında yapılan kısıtlamalar ve yeni zorunluluklar hakkında bilgi verilmiştir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde hidrojen yakıt hücreleri, çeşitleri, kullanım alanları, kimyasal ve termodinamik özellikleri ve hidrojen yakıt hücrelerinin gemi inşa sektöründe uygulama konuları hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölümde İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapurunun teknik özellikleri ve ihtiyaç duyacağı ana ve yardımcı tahrik sistemleri güç gereksinimi üzerine bir model çalışması yapılmıştır. Daha sonra İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapuruna ait hali hazırda bulunan genel özellikler, ana ve yardımcı makine tahrik sistemleri bilgileri, yakıt ve yağ sarfiyat bilgileri, yıllık bakım masrafı gibi spesifik bilgiler ekonomik analiz ve karşılaştırma yapılabilmesi adına kurum idaresi ile yapılan resmi yazışmalar ve makine üreticisinin teknik dökümanından elde edilmiştir. Dördüncü bölümde tekno-ekonomik inceleme yapılabilmesi maksadıyla ihtiyaç duyulan ekonomik terimler tanımlanmıştır. Bu çalışmada hidrojen yakıt hücreli tahrik sistemleri ve İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapurunun mevcut tahrik sistemlerinin yıllık toplam sevk maliyetlerine dayanan bir analiz yapılmıştır. Yıllık toplam sevk maliyetleri hesaplamasında sermaye harcamaları (CAPEX) ve operasyonel harcamalar (OPEX) olarak iki maliyet üzerine hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca ŞH KÜÇÜKSU vapurunun mevcut sistemlerinin ve hidrojen yakıt hücreleri sevk sistemleri ile ekonomik olarak karşılaştırılabilmesi için net bugünkü değer (NPV) ve yaşam döngüsü maliyeti (LCC) gibi finansal tanımlara yer verilmiş ve hesaplamalar yapılmıştır. CAPEX, 20 yıllık bir operasyon süresi ve 10% bir indirim oranı ile analiz yapılmıştır. İlk kurulum ve yatırım maliyetleri ise (IC) hidrojen yakıt hücresi üniteleri için daha önceden yapılan çalışmalardan ve hidrojen piyasa fiyatları baz alınarak hesaplanmıştır. Tüm tüketim maliyet hesaplamalarında 3% bir enflasyon payı dahil edilmiştir. Ayrıca tüm OPEX için net değer formülasyonunda yer alan değerler 20 yıllık bir yatırım ve operasyon süresi ile 3% ve 5% bir iskonto oranı için hesaplanmıştır.
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.
Kompozit bir teknenin dip levha optimizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Kılıç, Recep Tayyip ; Yıldızdağ, M. Erden ; 803693 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Gemi sanayinde üretim malzemeleri teknolojinin gelişmesine paralel yönde değişim göstermektedir. Eski çağlarda ağaç kütüklerinin birbirine bağlanması ile elde edilen sandallar zamanla yerlerini işlenmiş ahşaptan üretilmiş teknelere bırakmıştır. İnsanoğlu metalleri eritip şekil verebildiğinde ise demirden yapılma büyük ve dayanıklı gemiler üretilmeye başlanmıştır. Günümüz teknolojisinde ise demirden yapılan hantal gemilere alternatif olarak çok daha hafif benzer dayanımları gösteren kompozit tekneler üretilmektedir. Kompozit iki veya daha fazla materyalin niteliklerinde değişim olmadan makro düzeyde bir araya gelmesi ile oluşan yapısal malzemedir. Gemi inşaatı sanayisinde polimer matrisli kompozitler kullanılır. Bu kompozitlerde reçine olarak en çok polyester, epoksi ve vinilester; lif olarak da en çok cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf kullanılır. Diğer tekne türleri gibi kompozit tekneler de üretilirken belli standartlar ve kurallara tabi tutulur. 24 metre ve altı tekneler daha çok Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın (ISO) koyduğu kurallar çerçevesinde boyutlandırılır. Standartlar teknenin dip, borda, güverte gibi kısımlarındaki levhaların ve destek elemanlarının dayanması gereken yüklemeleri ampirik formüller yardımı ile hesaplanmasını sağlar. Yapısal tasarımı yapan mühendis, hesaplanan yüklemeye dayanması şartı ile yapısal elemanların ölçülerini, adetlerini ve konumlarını belirlemede özgürdür. Yapısal elemanlar boyutlandırılırken müşterinin isterileri, malzemelerin standart ölçülerde üretilebilirliği ve en önemlisi üretim maliyetleri göz önüne alınır. Üretim maliyetlerini düşürmek için farklı optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada kompozit bir teknenin dip levhası üretim maliyetlerini düşürme amacıyla optimize edilmiştir. Literatürde daha önce kullanılan ölçülerde bir levha ve levhayı destekleyen iki adet şapka tipi destek elemanı ele alınmıştır. Dip levhasına etki eden kuvvetler Uluslararası Standardizasyon Teşkilatı'nın 'ISO 12215-5:2019' bölümüne göre belirlenmiştir. Belirtilen bölümdeki kurallar doğrultusunda tekne ve levha ölçüleri kullanılarak; tasarım kategori faktörü (kDC), dinamik yük faktörü (kDYN), boyuna basınç dağıtım faktörü (kL), alan basıncı azaltma faktörü (kAR) katsayıları hesaplanmış bu katsayılar yardımıyla levhaya etki eden basınç kuvveti bulunmuştur. Levha Ansys Mechanical APDL 2021 R1 programında modellenmiş ve analiz edilmiştir. 4 mm'lik 5 katmandan üretileceği düşünülen levhanın her bir katmanı birbirinden bağımsız oryantasyon açısına sahiptir. Yapılan optimizasyon çalışmasında ilk olarak en uygun oryantasyon dizilimi aranmıştır. En uygun dizilim kullanılarak daha sonra ; levha genişliği ve destek eleman yüksekliği optimizasyonu, katman kalınlığı optimizasyonu, sabit hacimde levha genişliği ve katman kalınlığı optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan çalışmaları neticesinde ilave bir güçlendirmeye gerek kalmadan sadece levhada açı ve katman optimizasyonu yapılarak çok daha az malzeme ile yeterli dayanımın sağlanabileceği kanıtlanmıştır.
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.
Modelling and estimation of ship motions

(Graduate School, 2023-07-27) Zihnioğlu, Alper ; Ertogan, Melek ; 508142008 ; Naval Architecture and Marine Engineering

Roll, surge, sway, and yaw can occur in ships, boats, and submarines. Surge refers to the forward or backward movement of the vessel along its longitudinal axis, sway refers to side-to-side movement, roll refers to the tilting of the vessel from side to side, and yaw refers to the turning of the vessel around its vertical axis. Estimating these motions is important for a variety of reasons. In maneuvering, knowing the current and expected motion of the vessel can help the operator make informed decisions about how to move the vessel. In dynamic positioning, accurate motion estimations are necessary for maintaining the vessel's position using thrusters and other control systems. Motion estimations can stabilize the vessel or maintain the desired heading in control systems. For safety, knowing the vessel's motion can help the operator avoid hazardous situations and ensure the safety of the crew and passengers. It is also evaluated that the sea state and the direction of the wave can be estimated from the sensor data as a future study. Accordingly, with the heading change, fuel consumption can be optimized and a more stable maneuver can be predicted. Five different approaches are worked on and three of them were successful in this thesis. Roll, surge, sway, and yaw degree of freedoms, together with throttle references and rudder, are used as input and output. Training data generated by using these relations, three different models, namely, Iteratively Weighted Dynamic Transfer Function Model, Neural Network Model, and Deep Neural Network Supported Transfer Function Estimation with Disturbance Model are developed. All the models are used for seakeeping and maneuvering scenarios. Estimation results are validated with variable rudder and throttle commands to show model result generalization capability. All the scenarios are based on real-world applications. In addition to the simulation studies, different real-world tests were also done. The full-size sea experiments were carried out in Tuzla Bay using the pilot boat named Pilot 67 belonging to Istanbul Technical University. The boat was navigated by ITU personnel and Maritime Faculty students on two separate dates, when the weather conditions were 3-4 and 4-5 according to the beaufort chart. The maneuvers made during the experiment reflect the real situation with great success and meet the most difficult conditions because they are under the influence of the sea and they include complex controls other than the standard rudder maneuvers used in the literature. The obtained data was then used in deep learning assisted transfer function model diagnostic studies. The data collected on both days was split into two, half for training and half for validation. In addition, this model has been updated to allow two propellers and a single rudder input, unlike the previously designed model architecture, which is suitable for a single propeller and single rudder input, thus confirming the previously stated idea that the proposed method does not depend on the number of inputs and outputs. The presented work aims to consider the platform model from a different perspective, without having knowledge of the model, where the only required information is the required outputs and the excitation inputs. Consequently, the presented approaches have the adaptability to specify input - output variables to be arranged for the desired utilization and have the possibility to be specifically stretched out to boost the certainty and reliability of underwater, surface, and unmanned vehicle's control. Because of this the work presented here brings a new approach of usage of Deep NN in predicting ship motions. Studies about the planning of paths or avoidance of accidents can be conducted using the proposed methods. The Explanatory Notes to the Rules and Guidelines state, "The track width during the stop test at full astern should not exceed 15 ship lengths." (Germanischer Lloyd, 2012) This rule applies to ships over 100 meters in length. Considering this statement and having 51.5 m (Perez et al., 2006) as the ship length and a speed mediocre of five m/s during deceleration, about 155 seconds of prediction time is required. The results show that the proposed methods can be used for future emergency braking and accident avoidance scenarios.

Gözat

Başlık ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri