LEE- Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19288

Gözat

Belirli deniz koşullarında seyreden bir geminin rota kontrolü

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Budak, Gökhan ; Beji, Serdar ; 671624 ; Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği

Günümüz dünyasında otomatik sistemlerin teknolojiyle birlikte hızla geliştirilmesi ve hemen hemen her alanda kullanılıyor olması beraberinde kontrol sistemlerini de ilgi çekici hale getirmiştir. Araştırmacılar kendi alanlarında bu sistemleri geliştirmek ve uygulanabilirliği arttırmak amacıyla çalışmalarını hızlandırmıştır. Özellikle her bir sistem için hedeflenen ana verim parametrelerine bağlı olarak sistemin fayda verecek yönlerini daha efektif hale getirmek hedeflenmektedir. Paket programlar kullanılarak kontrol edilmek istenen sistemin matematiksel modeli oluşturularak sistemin kontrol edilebilirliği incelenmekte ve sistemin ne amaçla kullanılacaksa amacına yönelik olarak geliştirilebilirliği araştırılmaktadır. Bu tez çalışmasında, ilk aşamada gemi manevra hesaplamalarında kullanılan matematiksel modellerden iki tanesi seçilmiştir. Bu manevra modelleri literatürde MMG (Manoeuvring Modelling Group) ve Abkowitz model olarak bilinen matematiksel ifadelerdir. İki model için de Matlab-Simulink'te matematiksel model olu¸sturulmu¸stur.Literatürde standart olarak uygulanan dönme testi ve zigzag testleri yapılmış ve gemiye ait boyutsuz hidrodinamik katsayıların bilindiği iki farklı gemi seçilmiştir. Simülasyonda kullanılacak manevra modeli için bilinmesi gereken hidrodinamik katsayılara bağlı olarak Abkowitz veya MMG modelden biri seçilerek simülasyonlar gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Bu gemilerden ilki balıkçı gemisi diğeri ise KVLCC2 tankeridir. Balıkçı gemisi için bilinen temel büyüklükler ile hidrodinamik katsayılara bağlı olarak Abkowitz model, KVLCC2 tankeri için ise MMG model seçilmiştir. Böylece iki manevra modeli içeren bir simülatör oluşturulmuştur. İkinci aşamada ise bu matematiksel modeller kullanılarak geminin başlangıç durumundaki koordinatlarından hareketle başka bir veya birden fazla koordinata olan hareketinde izleyeceği rotanın kontrolü yapılmıştır. Rota kontrolü yapılırken belirlenen dış kuvvetlerin gemiye etki ettiği düşünülerek senaryolar üretilmiştir. Bu belirlenen senaryolar için geminin hedeflenen nokta veya noktalara ulaşması için kontrol sistemi oluşturulmuştur. Literatürde standart PD (Proportional-Derivative) kontrol olarak bilinen kontrol sistemi ve bu kontrol sistemine ilave olarak eklenen bulanık mantık kontrol sistemi (Fuzzy Logic Controller) uygulanmıştır. Her iki manevra modeli için belirlenen senaryolar altında hem PD kontrol hem de PD-Fuzzy kontrol sistemleri uygulanarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Tezdeki uygulamalardan ilki Üsküdar-Beşiktaş arası rota takibi ¸seklinde yapılan uygulamadır. İstanbul Boğazı'nda akıntı durumu göz önünde bulundurulmuş ve bu akıntı durumunda Üsküdar-Beşiktaş arası simülasyon gerçekleştirilmiştir. Üsküdar-Beşiktaş hattında kullanılan gemilerin boyları dikkate alındığında balıkçı gemisinin boyutlarına yakınlığı sebebiyle balıkçı gemisi seçilmiştir. Balıkçı gemisine ait bilinen temel büyüklükler ve hidrodinamik katsayılara istinaden simülatörde yer alan iki farklı manevra modelinden Abkowitz model seçilmiştir. Simülasyonlar gerçekleştirilirken hem PD kontrol hem de PD-Fuzzy kontrol sistemi kullanılmıştır. Simülasyon sonucu elde edilen rotanın tutarlı bir rota olup olmadığı hakkında bilgi edinmek için bu hatta yolcu taşıyan gemilerin rotaları önceden telefona yüklenebilen bir uygulama ile aynı gün içinde Üsküdar-Beşiktaş ve Beşiktaş-Üsküdar arası 3'er defa olmak üzere toplamda 6 sefer yapılarak kayıt edilmiştir. Elde edilen bu rotalar ile iki farklı kontrol grubuyla oluşturulmuş simülasyonlar sonucu elde edilen rotalar kıyaslanmış ve gerçekte var olan İstanbul Boğaz trafiği de göz önüne alınarak kıyaslanmıştır. Tezin içeriğinde bulunan bir diğer uygulama ise hedeflenen ardışık koordinatlarla oluşturulan güzergah seyir simülasyonudur. Bu uygulamada önceden dönme testi ve zigzag testi yapılmış ve gemiye ait hidrodinamik katsayıları bilinen KVLCC2 gemisi göz önüne alınmıştır. Daha önce MMG model ile oluşturulan matematiksel modele tıpkı bir önceki uygulamada kullanılan kontrol sistemleri eklenmiştir. Bu kontrol sistemleri PD kontrolör ve PD-Fuzzy kontrolördür. Ardışık koordinatların takibi simülasyonu için sekiz farklı koordinat belirlenmiş ve geminin bu koordinatları takip ederek belirlenen güzergahı geçme uygulaması yapılmıştır. Bu uygulama için toplamda üç farklı senaryo oluşturulmuştur. Bunlardan birincisi geçiş süresince herhangi bir dış kuvvetin etkisinin olmadığı varsayılmıştır. İkinci senaryoda geçiş süresince aynı hızda fakat yönü birbirini takip eden koordinatlara bağlı olarak değişen bir akıntının etki ettiği düşünülmüştür. Üçüncü senaryoda ise ikinci senaryodaki akıntıya ek olarak sabit hızla belirlenen bir yönden esen rüzgarın etkisi de modellenerek simülasyon gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak her iki rota takibi uygulaması ile gemilerin hedeflenen koordinatlara ulaşıp ulaşmadığı ve farklı kontrol sistemlerinin uygulamadaki farklılıkları değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın devamında yapılabilecek çalışmalar önerilerek oluşturulan simülatörün geliştirilme hedefleri belirlenmiştir. Oluşturulan bu simülatör vasıtasıyla geminin seyir bölgesine ve amacına göre, seyir esnasında olabilecek dış kuvvetlerin etkisiyle izlenecek olası rotanın belirlenmesi, seyir güvenliğini bozacak durumların söz konusu olduğu bölgelerin belirlenmesi açısından önemi vurgulanmıştır.
Deniz ortamındaki poliaromatik hidrokarbonların (PAH) izlenmesi amacıyla butil kauçuk esaslı pasif örnekleyicilerin optimizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-06-25) Türeyen, Oktay Eren ; Okay, Oya ; 508182104 ; Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği

Pasif örnekleyiciler deniz ortamındaki organik kirleticilerin tespit edilmesi ve izlenmesi amacıyla kullanılan malzemelerdir. Sudaki düşük çözünürlükleri ve yüksek hidrofobisiteleri sebebiyle organik kirleticilerin su kolonundan alınan su örnekleri ile tespit edilmesi bazı durumlarda mümkün olmamakla birlikte, tespit edilebildiği senaryolarda da yüksek iş gücü ve maaliyet gerektirmektedir. Organik kirleticiler, su sevmeyen yapıları sebebiyle, organik madde ve canlı dokularda birikme eğilimine sahiptir ve kanserojenik ve mutajenik özellikleri göz önüne alındığında ekosistem için oldukça tehlikelidir. Pasif örnekleyiciler, canlıların yağ dokularını taklit etme özelliğine sahip malzemelerdir ve bu sayede su kolonuna veya sedimente yerleştirildiklerinde ilgili organik kirleticileri tıpkı bir canlı gibi bünyelerinde konsantre ederler. Bu sayede su örneklemesine nazaran çok daha kolay şekilde deniz ortamındaki organik kirleticilerin tespit edilmesine ve izlenmesine olanak sağlarlar. Geleneksel yöntem olan su kolonundan direkt su örneği alınması yöntemi, analitik zorluklarının yanında, aynı zamanda kirleticilerin su kolonundaki toksikolojik etkilerini direkt olarak belirleyen serbest çözünmüş konsantrasyonlarının hesaplanması noktasında da sıkıntılar barındırmaktadır. Su örneği alınırken, su kolonundaki askıda katı maddeler de örnek içerisinde yer alır ve yapılan analizler sonucu elde edilen konsantrasyonlar serbest çözünmüş konsantrasyonları değil toplam konsantrasyonları temsil eder. Bu durumun üstesinden gelmek için ya örnekler üzerinden ön işlemler yapmak gerekir ya da analiz sonrası çeşitli düzeltmeler yapmak gerekir ki bu durum ekstra efor gerektirmektedir. Öte yandan pasif örnekleyiciler su kolonuna yerleştirildiklerinde, içlerine sadece suda serbest çözünmüş kimyasallar absorbe olur ve daha sonra analizler sonucu hesaplanan konsantrasyonlar da hiçbir ekstra işlem gerektirmeden serbest çözünmüş konsantrasyonların hesaplanmasına olanak sağlar. Deniz ortamındaki kalıcı organik kirleticilerden olan poliaromatik hidrokarbonlar (PAH) hem Avrupa hem de Amerika çevre izleme ajansları tarafından öncelikli kirleticiler olarak sınıflandırılmıştır. Deniz ortamındaki tüm matrislerde yaygın şekilde bulunan bu kimyasallar, biyobirikim ve biyomagnifikasyon ile besin zincirinin en altından en üstüne kadar tüm canlılarda üreme, büyüme ve davranışsal problemlere yol açabilecek zararlı etkilere sahiptir. Bu tez kapsamında da bu kirletici grubundaki 16 PAH'ın örneklenmesi için geliştirilen bütil kauçuk (BK) örnekleyicilerin, pasif örnekleyici olarak kullanımına yönelik deneysel ve saha çalışmaları gerçekleştirilmiştir. BK örnekleyiciler, deniz ortamından petrol ürünlerinin uzaklaştırılması için geliştirilmiş sorbentlerdir ve hidrofobik yapıları sebebiyle organik kirleticilerin tespiti ve izlenmesi için pasif örnekleyici olarak kullanılabileceği hipotezi, bu tez çalışmasının temel hipotezidir. Bu amaçla, tez çalışmasında bu sorbentlerin PAH'ları örnekleme performansı incelenmiş ve pasif örnekleme parametreleri hesaplanarak sorbentlerin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, BK sorbentlerin sentez geometrisinin örnekleme performansına etkisi deneysel olarak incelenmiş ve tabaka şeklindeki sentez geometrisinin daha yüksek örnekleme performansına sahip olduğu belirlenmiştir. Daha sonra, ideal sentez çözücüsünün belirlenmesi için, iki farklı sentez çözücüsü (siklohekzan ve benzen) ile sentezlenmiş BK sorbentler karşılaştırılmıştır. Kısa süreli (24 saat) ve uzun süreli (12 gün) periyodlar için gerçekleştirilen örnekleme hızı ve örnekleme kapasitesi deneyleri ile ideal sentez çözücüsü olarak benzen kullanılmasının gerekliliği belirlenmiştir. BK sorbentler literatürdeki önceki çalışmalarda sadece tek tipte sentezlenmiştir fakat bu tez çalışması kapsamında farklı gözenek yapılarına sahip BK sorbentlerin performansları karşılaştırılmak istendiğinden, literatürde ilk olacak şekilde bu sorbentler farklı gözenek yapılarında temin edilmiş ve pasif örnekleyici performansları karşılaştırılmıştır.
Development of operation and maintenance strategies for offshore wind industry based on big data management

(Graduate School, 2024-07-30) Lützen, Uwe ; Beji, Serdar ; 508172107 ; Ship Building and Ocean Engineering

Increasingly, enterprises allocate substantial funds to offshore wind energy both development and deployment as a key element of the global energy transition from fossil energies; hence, the importance of ensuring the technical reliability of offshore wind turbines becomes significant for the viability of the industry. Availabilities of offshore wind turbines can be significantly lower, by 15% or more, than the onshore wind turbines, with a typical availability of 95-97%, leading to a reduced electricity production of similar magnitude. In that context, predictive maintenance is an essential tool for increasing offshore wind turbines' operational availability to maximize the energy yield. At the same time, artificial intelligence (AI) is progressively introduced to operation and maintenance (O&M) of offshore wind farms for enhancing the efficiency and performance of the wind energy power plants and projects. An important trend hereby are decision support strategies based on failure predictions. This results in AI being more frequently used to create time-to-failure predictions based on large amount of data collected from sensors deployed to wind turbines. However, components or subsystems that are unsupervised are not covered here and may occasionally lead to failures. The central focus of this work lies in the design, development, and practical application of a prediction method of failures of unsupervised sub-systems in a real-life wind turbine system to increase the overall technical availability of offshore wind turbines utilizing data-driven approaches to validate the proposed methodology. As an example, the brake pads of the yaw system are selected, to prove the methods developed in a real environment. As a result of the research works performed, an AI-based method has been established for predicting component failures which has been verified in practical application taking the yaw brakes of a 3MW wind turbine as an example. It is analyzed how the brake pads of these yaw brakes wear out over time, using the data collected from turbine controllers. To predict when these failures are likely to occur, Long-Short-Term Memory (LSTM) is employed which is empowered by a pre-processed dataset using Support Vector Machine (SVM) for clustering of the relevant data. This combination of SVM and LSTM presents an alternative approach to enhancing predictive maintenance strategies, which can improve the operational reliability and cost-efficiency of offshore wind energy systems. In particular, the presented methodology leverages deep learning models in conjunction with online clustering techniques, thus establishing a robust foundation for predictive maintenance in offshore wind energy systems. Accordingly, a comprehensive framework, methodology, experimental setup, and results are presented here for giving new contributions and suggesting insights into the evolving landscape of predictive maintenance of offshore wind turbines. An overview of the history of offshore wind energy and a classification of offshore wind turbines and wind farms is given including the outlining of challenges related to offshore wind turbine development and operation that fundamentally differs from onshore wind energy in light of design and operations conditions due to for example limited accessibility. Operation and Maintenance is discussed presenting O&M classifications and definitions based on different norms. Decision Support Strategies (DSS) as tool for O&M are introduced and strategies based on Key Performance Indicators developed. The dependence of the different models on input data is presented for maintenance strategies in detail. Conditions that impact operation and maintenance are worked out and clustered specifically for offshore wind energy. A discussion about challenges related to data collection and handling is discussed, which are mainly data availability and the fact that not every component or instance in offshore wind turbines is sufficiently supervised and its data logged. On data utilization for offshore wind energy applications, it is laid out that, for the utilization of data collected in and around offshore wind farms, strategies based on machine learning and artificial intelligence techniques as basis for decision making in operation and maintenance of offshore wind energy must be applied. In a wind farm project several sensors are monitored and logged that can ideally be used for the training and testing procedures of classification algorithms. However, for specific processes, not all of those sensors provide conditional information that are useful to take into consideration, while several of them may be correlated. Therefore, as first step Non- Negative Matrix Factorization and Principal Component Analysis are explained as utilities for performing of feature reduction and dimensionality reduction that need to be performed to narrow down available data to the problem in focus. After this step, data can be classified and scaled to be suitable for data utilization strategies. SVM, as a capable classifier, is explained in detail. Different neural networks, such as artificial neural networks, feed-forward neural networks, and long-short-term memory recurrent neural networks (LSTM), are presented as suitable data utilization strategies, and the steps for data integration into predictive maintenance strategies are explained. A case study is presented, developing a prediction model for an unsupervised component in the yaw system of an existing wind turbine whose degrading leads to problems in the operation of the wind turbine. Specifically, the yaw system of this specific wind turbine model experiences increasing number of unintended slipping events where the yaw system is not able to keep the wind turbine stationary due to unsupervised wear out of brake pads. This leads in consequence to increased yaw activities and reduced service life of the wind turbine. For the case study, real data of over six months have been taken from a 3MW direct-drive wind turbine. The number of variables logged over a period of six months is with a count of 216 at a frequency of 1Hz very high. For this a categorization of the data collected from the turbine is elucidated and feature reduction techniques are applied leading to a reduced number of six features that represent the data to be utilized for predictions. Also, a rigorous evaluation of the selected methodology, namely SVM as classifier in combination with LSTM to forecast the evolution of increasing number of slipping events, as which places significant reliance on the utilization of deep learning models, is provided. This analysis serves to underscore the rationale behind the methodological choices. Comprehensive formulation of the problem and elucidation of underlying assumptions pivotal to predictive maintenance strategies, specifically the inclusion of unsupervised sub-systems and components into predictive maintenance strategies is given in detail. A detailed description of these considerations serves as basis for the subsequent development of prediction strategies. Finally, the results obtained through the application of the selected predictive strategy for unsupervised sub-systems is presented. These results are scrutinized in detail to offer a comprehensive assessment of their implications and significance within the broader context of predictive maintenance for offshore wind turbines. In the evaluation of the results, key findings stemming from the application of the proposed predictive maintenance methodology are laid out. This work and especially the results from the case study show the potential of AI for the further development of predictive maintenance based on large amounts of available data. The case study also proves that not only occurrence of catastrophic failures but also prediction of points in time when error frequency limits are exceeded can be predicted reliably. The clustering capabilities of SVM hereby enhance the performance of LSTM, which is selected to achieve reliable prediction outcomes. In this work a prediction period of 15 days was achieved with an overall prediction accuracy of over 98% making the model sufficient as input for DSS with focus on preventive or reliability centered maintenance strategies. In conclusion this work shows how combining domain expertise with machine learning techniques can improve data based predictive maintenance practices in the offshore wind industry by including previously unsupervised areas that have an impact on turbine availability, reliability, lower operation cost and consequently on power output and feasibility as well as on service life. Applying this method to other unsupervised components or sub-systems for future applications is possible leading to a higher level of confidence on the integrational DSS. The application of a combination of well-developed and in literature comprehensive presented AI methods to the field of offshore wind energy in order to predict unsupervised components, sub-systems or events adds an important novel aspect to the literature.
Effect of tip flow on vortex induced vibration of circular cylinders

(Graduate School, 2022-04-07) Duranay, Aytekin ; Kınacı, Ömer Kemal ; 508152105 ; Shipbuilding and Ocean Engineering

As one of the complicated subject of flow-induced vibration (FIV), the physical background of Vortex-Induced Vibration (VIV) and its mathematical model can not be represented by a single theory. The solutions contain highly non-linear terms increasing the computational burden. Investigations on this area have not yet matured although it takes place in almost all fields of ocean engineering. VIV has destructive effects on deep-sea oil production and offshore industry equipment since the phenomenon is observed around the bluff bodies such as marine cables, moorings, risers and pipes. As the number of offshore structures around the world increased, the oil companies have identified new targets and started moving away from shallow waters to deep-waters. This is considered to increase the interest in VIV in the future. Moreover, recent researches have revealed that it is possible to benefit from this phenomenon. A recently invented device, VIVACE, succeeded to convert the energy in water currents into electric energy by fitting a power generator into conventional VIV models. Some other studies propose piezoelectric materials to derive energy from VIV mechanisms. Recent studies have also revealed that VIV may also be used for developing some gauges such as water measuring device. Taking these new developments into the account, the number of VIV researches are increasing rapidly in parallel with reachable higher computational technologies. Moreover, the reliability of numerical studies are improving thanks to the better approximations of flow and turbulence models. The nature of VIV phenomenon is highly non-linear. Mathematical models simplify the problem in many ways by leading to partly or entirely incompatible results between different studies, even if these studies are using the same non-dimensional parameters. At this point, three-dimensionality of the flow plays an important role in many of these studies. Depending on the mathematical model in numerical studies, or the lab setup in experimental ones; the oscillating body might be exposed to more 3D effects while in some others the flow might even be 2D in the entire wake. 3D effects are mostly dependent on the aspect ratio of the circular cylinder and end conditions (such as usage of end-plates or not). The flow partly escapes through the free-ends of the bluff body and creates a trailing vortex at the tips spoiling the shedding process, contributing to the oscillations of that body. The aspect ratio is inversely proportional to the three-dimensionality of the flow and its dominance on the VIV response. If the aspect ratio is sufficiently large, the escaping flow from the tips can even be neglected. Effect of tip flow on the VIV response are generally observed through the oscillation amplitude, the frequency response, and the phase difference between the oscillation of the cylinder and the vortex shedding. Due to the reasons explained above, the effect of tip flow should be taken into consideration in calculations. A 2D VIV approach typically neglects the finiteness of the aspect ratio and assumes that Karman vortex street covers the entire wake while it can be observed only around the mid-section of a three-dimensional VIV. Studies adopting a 3D model indicate that the vorticity type along a VIV cylinder changes from the mid-section to the tips of the cylinder due to cellular sheddings, cross-flow and tip-flow. Despite a boost in recent studies, numerical approaches to solve the VIV problem are still in progress since current methods are incapable of reflecting the experimental conditions sufficiently, requiring unaffordable computational power due to the complexity of spatial alteration of vortices in the wake. Therefore, researchers generally prefer relatively simpler 2D methods. Although these methods have the advantage of decreasing the computational cost; some characteristics of VIV phenomenon, observable in only 3D studies, such as cross-flows, cellular sheddings and tip flow (and tip vortices) can not be represented with a 2D flow assumption. An adoptable enhancement would be worth to pursue to implement into a 2D model, representing partial three-dimensional flow, so that these effects can be partly compensated to obtain more realistic results. A chapter of this thesis is devoted to this purpose by proposing a scaling factor to represent three-dimensional characteristics of the flow around circular cylinder in a 2D numerical model. The finite volume method is used to calculate force term at each time step acting on the oscillating cylinder. The lift force is scaled by a newly proposed term named as the "three-dimensionality factor". By using this factor in the equation of motion to reflect three-dimensionality, a reduction in oscillation amplitude is examined. This factor alters the lift force, the phase difference, and therefore the oscillation frequency. It also changes the synchronization range especially at the lower branch region. Eventually, the numerical method has been compared with some experimental data. The enhancement in the 2D numerical method is demonstrated and discussed. A suitable scaling factor is proposed for the chosen experimental cases. The experimental part of this thesis focuses on the effect of tip flow by changing systematically the aspect ratios and the distance from the edges of the cylinders to walls of the circulation channel. The experiments are carried out at İstanbul Technical University (İTÜ) Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory (ANSMT Lab) located in the Faculty of Naval Architecture and Ocean Engineering. Mass ratios of 1.93, 2.24, and 2.52 are considered and the resulting Reynolds number range is 1.6×104 – 8×104 corresponding to the sub-critical TrSL2 and TrSL3 (transition in shear layer) flow regimes. The nondimensional velocities (U^*) range from 3 to 13. Six different circular cylinders are used with different aspect ratios varying from 11.225 to 17.7875. The cylinder with the longest length extends to the walls of the circulation channel (as much as possible) and the length of each cylinder is shortened systematically while the diameter is kept constant at 0.08m. As the length of the cylinder is reduced, three-dimensionality of the flow increases and the flow escaping from the tips gets higher. This is accompanied by vortex disturbances which causes a loss on the lift force due to the decreasing Karman vortex street in the wake of the cylinder. Eventually, VIV response of the cylinder differentiates into a narrower synchronization range, lower oscillation amplitude and larger differences in phase angles. In the last section of the thesis, effect of aspect ratio and tip flow on VIV is investigated through hydrokinetic energy harnessing from the phenomenon. Three-dimensional effects, reducing the effective length of the cylinder, are discussed in terms of energy generation. Converted power and maximum system efficiencies are calculated from experiments conducted in the recirculation channel of the ANSMT Laboratory. It was found that the end-zones of the cylinder, which do not induce lift due to tip flow, are more dominant in lower aspect ratio cylinders. More power can be captured from TrSL3 flows due to higher shear-flow momentum while higher efficiency in power conversion is achieved in TrSL2.
Gemi trafik hizmetleri yönetiminin emniyet tabanlı işlevsel risk analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-02-06) Viran, Adem ; Menteş, Ayhan ; 508172102 ; Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği

Dünya ticaretinin önemli bir bölümü deniz yolları üzerinden gerçekleşmektedir. Taşınan yük miktarı ise sürekli artmaktadır. Denizyolu rotaları ticari dolaşım için stratejik öneme sahiptir. Süveyş, Panama, Hürmüz, Malakka ve tabi ki Türk Boğazları gemiler tarafından kullanılan kritik geçiş noktalarıdır. Coğrafi ve stratejik konum ile küresel ticaretin gereksinimleri bu noktaların çokça rağbet görmesine sebep olmaktadır. Bu talep ise istenmeyen deniz kazalarının oluşmasına can, mal ve çevre kayıplarına yol açmaktadır. Bunu önlemek adına en etkili çözümlerden biri gemi trafik hizmetleri yönetimidir. Hali hazırda dünya genelinde birçok suyolu ve liman üzerinde kurulu gemi trafik hizmetleri ile olası kazaların önüne büyük oranda geçilmiştir. Bu tez ile denizyolu ticari taşımacılığı geçiş noktalarının önemli bir örneği olan Türk Boğazları gemi trafik hizmetleri yönetim sistemi ve görevleri rutin işlevler üzerinden incelenerek performans değişkenliklerine ait risk analizlerinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda ilgili literatür taranmış, kullanılacak yöntemlere ilişkin prensipler araştırılmış, saha gözlemleri, mülakatlar ve doküman incelemesi ile model analizi yapılandırılmıştır. Kaza ve kök nedenleri yerine trafik hizmetleri sisteminin normal çalışması gözlemlenerek belirlenen işlevlerin girdi, çıktı, kaynak, kontrol, önkoşul ve zaman yönleri, birbiri ile olan bağlantıları ve bu bağlantıların sebep olabileceği olası performans değişkenlikleri "Resilience Engineering" mantığına sahip yeni nesil emniyet analiz yaklaşımlarından olan Functional Resonance Analysis Model (FRAM – İşlevsel Rezonans Analiz Metodu) ilkeleri çerçevesinde incelenmiştir. Değişkenliğin risk seviyesi örnek kaza senaryoları ile desteklenerek kavramsal ifadeler üzerinden tanımlanmıştır. Gemi trafik hizmetleri sisteminin tüm paydaşları göz önünde bulundurularak sistemin bütününe bakılarak nasıl çalıştığı araştırılmıştır. İşlev bağlantıları görselleştirilerek ilişki ağı ortaya konulmuştur. Kritik işlev bağlantılarına ait değişkenliğin performansı olumsuz yönde etkilediği noktalar tespit edilmiştir. Toplam negatif performans değişkenliğini sönümleyecek kontrol tedbirleri sıralanmıştır. Riskin sayısal skorlara dönüştürülmesi adına FRAM ile elde edilen işlev değişkenlikleri birer hata türüne dönüştürülerek Failure Mode and Effect Analysis (FMEA – Hata Türü ve Etkileri Analizi) ile incelenmiştir. Hata türlerine ilişkin hata etkisi ve nedenleri araştırılmış, olasılık, şiddet ve tespit edilebilirlik ölçeklerine göre konunun uzmanları tarafından puanlanarak Risk Öncelik Sayıları (RPN) elde edilmiştir. FMEA'nın kesin sayılar ve belirsizlik durumları ile ilgili literatürde yer alan kısıtları sebebiyle Bulanık Mantık yardımıyla uzman değerlendirmeleri bulanıklaştırılarak oluşturulan kural tabanına göre çıkarım mekanizması yardımıyla Bulanık Risk Öncelik Sayıları (FRPN) elde edilmiştir. Klasik FMEA ve Bulanık FMEA çıktı değerleri öncelik sıralamalarına göre karşılaştırılmıştır. Hata kaynakları ve hata türü risk ortalamalarına göre işlevlerin risk seviyeleri incelenerek risk azaltıcı kontrol faaliyetleri belirtilmiştir. Son olarak gemi trafik hizmetleri yönetimine ait işlevlerin birbiri ile olan etkileşim düzeylerinin tespiti The Decision Making Trial and Evaluation Laboratory (DEMATEL - Karar Verme Deneme ve Değerlendirme Laboratuvarı) metodu ile incelenerek toplam ilişki matrisi üzerinden etkileyen ve etkilenen işlevler belirlenmiştir. İşlevlerin önem derecesi ve ağırlıkları tespit edilerek etki grafikleri çizilmiştir. Yapılan bu çalışmanın literatüre bazı noktalar açısından katkı sağladığı değerlendirilmektedir. Bunlardan ilki çok geniş bir çerçevede ve çok fazla değişkene sahip olan Türk Boğazları gemi trafik hizmetleri yönetim sisteminin normal günlük işlevler üzerinden sıralı bir sistematiğe dönüştürülerek incelenmesidir. İşlevlerin birbiri ile olan bağlantı yönleri tespit edilerek görselleştirilmiştir. Gerçekleşen kazalar ve nedenleri yerine işlerin daha çok başarılı ilerlediği süreçlere odaklanılarak rutin işlev bağlantılarının gerçekte nasıl gerçekleştiği tespit edilmiştir. İşlevlere ait olası değişkenlikler üzerinden bir risk analizi ortaya konulmuştur. Bu durum gerçekleşme alanı geniş bir sürece sahip olan GTHYS'nin anlaşılması adına önemli bir katkıdır. İkinci olarak Türk Boğazları ile ilgili literatürde bakir konulardan biri olan GTHYS işlevlerine ait olası hata türlerinin çeşitli yaklaşımlar ile risk analizlerinin elde edilmesidir. Bu sayede insan-teknoloji- organizasyon kaynaklı bileşenlere sahip olan karmaşık yapıdaki GTH sisteminin başarıyla yönetilmesi adına kritik noktalar somutlaştırılarak tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre yüksek risk algısına sahip hata türleri önceliklendirilerek gerekli düzeltici ve önleyici kontrol faaliyetlerinin nerelerden başlaması gerektiğine karar verilebilir. Son olarak GTH işlevlerinin birbirine olan etkileşim düzeyinin tespit edilerek etkilenen ve etkileyen olarak sınıflandırılmasıdır. GTH kapsamında gerçekleştirilen işlevler çok çeşitli ve çok fazladır. Hangi işlevin daha önemli ve diğer işlevler üzerinde etkisinin daha yüksek olduğunu anlamamız önceliklendirme için faydalıdır. Elde edilen sonuçlara bakılarak önem ve etki düzeyine göre işlevler üzerinde yapısal iyileştirmeler bu sayede gerçekleştirilebilir. Tez çalışmamızda GTH'ın en önemli paydaşı olan trafikteki gemilerin teknik yeterlilik, hareket ve manevralarının büyük belirsizliklere sahip olması sistemin tamamına yönelik çözüm önerilerini sınırlandırmaktadır. Gelecekte GTH ve gemi hareket işlevlerinin bir bütün olarak ele alınıp entegre edilerek risk analizlerinin yapılması adına çalışmamızın bir basamak teşkil ederek mevcut bulguları bir adım öteye taşıyacağı değerlendirilmektedir.
Maneuvering of high speed displacement vessels in regular waves

(Graduate School, 2023-10-16) Sarıgül Öztürk, Deniz ; Kınacı, Ömer Kemal ; 508192103 ; Shipbuilding and Ocean Engineering

This doctoral thesis presents a comprehensive exploration of maneuvering performance in waves, aiming to gain insight into the interactive behavior of waves and vessels and use this interaction to develop a mathematical model of maneuvering in waves. The research focuses on the adaptation of experimental methods, practical system-based methods, and computational analysis techniques to enhance the integration of solution methods. The central objective of this thesis is to systematically reveal the complicated characteristics of mean wave drift loads. Additionally, the thesis aims to demonstrate the influence of these loads on the assessment of maneuvering performance. The research seeks to bridge the gap between traditional investigation of maneuvering in calm water and growing demand for determining the minimum propulsion power needed to maintain a ship's maneuverability in adverse conditions. The study employs a systematic approach, combining various research techniques. It utilizes a system-based mathematical method along with laboratory experiments and simulation-based analyses to achieve its objectives. The methodology encompasses theoretical modeling, computational simulations, and practical measurements. The research reveals that integrating mean wave drift loads, namely surge wave drift force, sway wave drift force, and yaw wave drift moment, obtained with a practical experimental approach or computational methods, can significantly enhance the capacity of system-based models. The data reduction procedure enables to reach of zeroth-frequency values representing the mean wave drift loads. This thesis contributes a novel approach to research endeavors, experimental initiatives, and software development projects aimed at elucidating the concept of "maintaining maneuverability" in challenging sea conditions. The findings underscore the importance of adapting wave conditions to maneuvering applications developed with new approaches. The insights from this research hold wide-ranging implications for ocean engineering practitioners and researchers. The presented framework offers a holistic perspective that can guide maneuvering performance and navigational safety. The findings of this thesis will be also presented in the activity named "Assessment of Experiments and Prediction Methods for Naval Ships Maneuvering in Waves", the activity period of which is 2021-2023 and still continues. The activity is carried out within the scope of Applied Vehicle Technology (AVT) and is referred to by the code AVT-348. In conclusion, this doctoral thesis presents a practical experimental and numerical approach to achieve surge, sway, and yaw wave drift loads in regular waves which are then used to demonstrate the effect of wave-related loads on the maneuvering performance of surface vessels. The measured wave drift forces and moments are incorporated into the equations of motion for maneuvering to predict the effect of waves on the maneuvering performance of a vessel. A simplified mathematical model to show the behavior of the vessel in waves is represented by four nonlinear equations of motion for surge, sway, yaw, and roll. The turning circle, which is one of the standard maneuvering tests is simulated for ONR Tumblehome (ONRT) at different wave conditions in order to demonstrate the effect of wave drift forces on the trajectories and time histories of maneuvering parameters.
Numerical investigation of maneuvering performance of monohull and multihull marine vessels

(Graduate School, 2022-04-22) Duman, Süleyman ; Bal, Şakir ; 508162006 ; Naval Architecture and Marine Engineering

This Ph.D. study is based on the numerical analysis of the manoeuvring performance of two monohull and two multihull ship forms. To achieve this, the CFD-based system simulation method based on Abkowitz's model has been employed and new closed-form solution techniques have been proposed. The first monohull form is a displacement type surface combatant, which is widely used in the literature and has a significant number of comparison data. It is known by the name DTMB5415, which is the model number in the David Taylor Model Basin (DTMB) experimental laboratory where it was produced. Of the two known configurations of this surface combatant, the one with discontinuous bilge keel geometry and named DTMB5415M has been preferred with full appendages. The second monohull is the R/V Athena, which has the form of a planing hull and is also known in the literature as Model5365. For multihull ships, Delft Catamaran 372 (DC372) and surface combat trimaran have been selected. The CFD-based system simulation method first dictates the development of a mathematical model for ship manoeuvres. Depending on the application purpose, the mathematical model can include environmental factors, rudder forces, propeller forces, hull hydrodynamics and other external effects, if there is any. Hull hydrodynamic characteristics are commonly modelled by special parameters representing the ship hull form. These parameters are the core of the manoeuvring mathematical model and they determine how the ship form will react to any effect entering or leaving the system. These parameters are called hydrodynamic derivatives or manoeuvring coefficients in the literature and can be calculated either experimentally or numerically. Abkowitz's manoeuvring mathematical model has been adopted and the hydrodynamic derivatives have been calculated separately for all selected ship forms by analyzing the planar motion mechanism (PMM) tests with the help of CFD in the computer environment.
Physical investigation of 2d free falling wedge

(Graduate School, 2023-06-23) Yasa, Ahmet Mertcan ; Kükner, Abdi ; 508132101 ; Shipbuilding and Ocean Engineering

Water entry is an important phenomenon for sea-going vessel in terms of planing and slamming. Pressure distribution on the solid surface, at the moment of impact on water is a critical parameter during the initial design and optimization of a vessel, especially on planing vessels, trawlers or free-fall lifeboats and alike. The aim of this study is to create a simple yet accurate method to aid ship designers on the initial process & optimization of the ship design. Porpoising motion of planing hulls or releasing the free-fall lifeboat from the ship during the emergency situation are perfect two examples of this specific design problem. During this specific water impact event, none of the vessels shall suffer any kind of damage which results in either structural failure on the said vessel or injuries/death of persons onboard. It is fair to say that this specific design factor has its importance to this date. Starting from this point of view, for the easiness of the calculations a wedge shape is taken into account for both planing vessels and trawlers & fishing vessels. This wedge shape can be considered as similar to planing hulls, small craft such as trawlers or free-fall lifeboats. Based on Wagner's famous method for calculating pressure distribution and pile-up of water on plates, this study proposes a new method using Schwarz-Christoffel conformal mapping to calculate pressure distribution along the surface as well as pile-up of water and force history. At the beginning, the definition between mapping plane and real plane is presented. By doing this, pile-up coefficients are calculated. Based on the Wagner's flat plate theory, the pile-up coefficients are plotted from 0 degrees of deadrise to 90 degrees deadrise, where 0 degrees deadrise is a flat plate. The results are further compares against Mei's results [17], which are not only improving the Wagner's fixed pile-up coefficient but also found by similar conformal mapping method. Upon calculating the pile-up coefficient, this coefficient incorporated into existing empirical methods for individual usage. Then, conformal mapping calculations are continued to plot pressure distribution along the wedge. The pressure distribution values are compared against Yettou's Experiment [15], Oien's Experiment [54], Sun's Results [36] and Dong's Experiment [20]. These experiments consist of respectively 25 degrees of deadrise, 30 degrees of deadrise, 10 degrees of deadrise and 45 degrees of deadrise. The results are very well matching. Upon completion of comparison, the force history is calculated. The force history is compared against Sun's results, which are consisting of four different impact speeds. It is found some overestimation on the force history, but in general results are satisfactory. As an additional verification, comparison against real ship sections was also examined. This proposed method can be expressed on monotonic sections. Based on this method of application, alternative sections were proposed against real ship sections and comparison for slamming pressure is conducted. Results were discussed accordingly. Lastly, a comparison against CFD application is done. The results are shown as very well matching. By doing this, presented method in this study was compared against drop test experiments, real ship sections and CFD application all together. It is accuracy proved in all aspects. In conclusion, the aim is considered to be achieved by presenting pressure distribution and force history results by making different comparisons. This study provides an easy method to calculate this critical design factor. It is noted that the method is very accurate for initial impact loads and can be used in initial design stage to understand the loads and pressure along the ship section.
Sualtı patlamalarının saha ölçümleri ve sayısal modellemelerle incelenerek civardaki deniz araçlarında hasar tahminleri yapılması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-22) Tatlısuluoğlu, Alpaslan ; Beji, Serdar ; 508132105 ; Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği

Bu çalışmanın ilk kısmında denizde kontrollü bir sualtı patlamasının patlama basıncı ölçümleri yapılmıştır. Yirmi beş kg-TNT eşdeğeri bir patlayıcı infilak ettirilmiş ve patlama basınçları, sualtı ortamında rezonanssız yüksek voltaj çıkışında çalışan sekiz farklı yüksek performanslı basınç sensörü ile kaydedilmiştir. Kaydedilen tepe basınç değerleri, literatürde kabul edilen ampirik sualtı patlaması (UNDEX) basınç formülü ile kıyaslanmıştır. Söz konusu formülün sabitleri, ölçülen verilere en iyi şekilde uyması için iki farklı biçimde en küçük kareler yöntemi kullanılarak yeniden belirlenmiştir. Yeni belirlenen sabitlerin literatürde kabul görmüş formülün katsayıları ile karşılaştırıldığında nispeten küçük farklar tespit edilmiştir. Savaş gemilerinin stabilitesi, sistem ve alt sistemlerinin düzgün çalışmasını doğrudan tehdit eden sualtı patlamaları, hasar tahmini açısından ele alınmalıdır. Bu nedenle bu çalışmanın ikinci kısmında, LS-DYNA'nın Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) metodu/sayısal tekniği, gemi benzeri bir yapının yapısal bileşenleri üzerindeki şok etkilerini analiz etmek için kullanılmaktadır. Hesaplanan maksimum kalıcı deformasyonlar, doğrusal bir orantılılık faktörü elde etmek için karşılık gelen Omurga Şok Faktörü (OSF-Keel Shock Factor (KSF)) değerleriyle eşleştirilmektedir. Formülün tatmin edici tahminleri, şok dalgalarına maruz kalan gemi benzeri yapılara verilen hasarın büyüklüğünün bir ölçüsü olarak KSF'nin kullanılmasının oldukça kabul edilebilir olduğunu göstermektedir. Bu kasamda; bir gemi kirişini temsil eden barç benzeri bir yapı üzerindeki 3 boyutlu bir sualtı patlamasının etkileri, ALE yaklaşımı ile LS-DYNA yazılımı kullanılarak sayısal simülasyonlar yoluyla araştırılmıştır. KSF'deki değişimlerin etkilerini araştırmak için üç farklı simülasyon gerçekleştirilmiştir. KSF ≈ 1 için tasarlanan ikinci simülasyon, genel kullanıma açık olmasa da saha ölçümlerinin mevcut olduğu duruma benzer bir durumu temsil etmektedir. Hesaplanan maksimum kalıcı deformasyonların ölçülenlere yakınlığı, sayısal simülasyonların güvenilirliğinin bir göstergesidir. Ayrıca, simülasyon verilerinin kullanılmasıyla, burada ele alınan yapı için maksimum deformasyonlar ve karşılık gelen KSF değerleri arasında doğrusal bir ilişki kurulmuştur. Kalıcı deformasyonlar için iyi bir tahmin değeri veren bu basit ilişki, farklı yapısal özelliklere sahip gemi benzeri formlar için daha gelişmiş ve daha genel formüllerin öncüsü olarak görülebilir. Son olarak, hesaplanan başlangıç hızları (kick of velocity) göz önüne alındığında platformda, KSF ≈ 1 olduğunda ciddi hasarlar, KSF ≥ 1 olduğunda ise ölümcül hasarlar oluşacağı değerlendirilmektedir

Gözat

Başlık ile LEE- Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği-Doktora'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri