LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 12
-
ÖgeGemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-19)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.
-
ÖgeYüksek süratli bir tekne formunda interseptörlü ve stepli hallerde hidrodinamik performansın parametrik incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-21)Bu tezde yüksek sürat yapan tekneler için hidrodinamik performansın iyileştirilmesi konusunda referans kabul edilebilecek çalışmaların yapılabilmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında yüksek süratli teknelerin genel özellikleri irdelenmiş, seçilen bir teknenin kıçına trim yapıcı olan levhalar farklı yerlerde ve farklı çalışma derinliklerinde eklenerek bir deney matrisi uygulanmıştır. Ayrıca bu tez ile birlikte, bir çok parametre üzerinde çalışılıp, yüksek süratli teknelerde, stepli (basamaklı) durumun etkisi, interseptörlerin (akım kesicilerin) etkisi ve bu interseptörlerin konumlarının optimum yerleri ile ilgili de verimli sonuçlar elde edilerek, liteartüre bir yenilik kazandırılmıştır. Literatürde yapılan diğer çalışmalardan en önemli farklılıklarından birisi ise interseptörün parçalı halde tekne aynı kıçına monte edilmesinin de analiz edilmesi olmuştur. Üçüncü bölümde tezin deney aşamalarının daha sağlıklı yapılabilmesi ve kurulan sistemin doğruluğunun araştırılması amacıyla çıplak tekne için hesaplamalı akışkanlar dinamiği metoduyla analizler yapılmıştır. Bu analizlerde çıplak teknenin direnç, trim ve paralel batma karakteristikleri elde edilip deneysel çalışmayla karşılaştırılmıştır. Analizler sırasında ilk olarak sayısal havalandırma problemi ile karşılaşılmış ve bu problemin çözümü için bir metodoloji geliştirilmiştir. Yüksek hızlı bir tekne formunun direnç değerlerinin hesaplanmasında sayısal yaklaşımın, bu havalandırma probleminin çözülmesi koşuluyla, oldukça iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Dördüncü bölümde, yüksek hızlı tekne modelinin takıntısız, çıplak halinin deneyleri icra edilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde, 18.7 metre boyuna sahip yüksek süratli bir pilot botun, 1/8.5 ölçekte ahşaptan üretilen modelinin takıntısız halde ve sakin suda direnç, trim ve paralel batma deneylerine ait sonuçlar incelenmiştir. Deney esnasında direnç karakteristiklerinin yanında trim ve paralel batma değerleri bulunmuştur. Trim ve paralel batma için birden fazla yöntem incelenmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile bulunan sonuçlara en yakın olan lazermetre ile ölçüm yöntemi benimsenmiştir. Beşinci bölümde ise yüksek hızlı teknede interseptörlü model deneyleri icra edilmiştir. Etkilerini karşılaştırabilmek için interseptörün kıç bölgedeki konumu ile uygulama bıçak derinliği düzenlenerek çok sayıda parametre dikkate alınmıştır. İnterseptör levhası tekne ayna kıçında deneyler boyunca üç farklı konumda yerleştirilmiştir. Bunlar çeneye yakın bölge, omurgaya yakın bölge ve çene ile omurga arası orta bölgelerdir. Deneylerde bu durumun haricinde ayrıca omurgadan çeneye kadar tam bölge uygulaması da yapılmıştır. Bu bölümde ayrıca, interseptör uygulama bölgeleri görsel olarak da verilmiştir. Altıncı bölümde yüksek hızlı tekne stepli model deneyleri anlatılmıştır. Model, farklı hızlarda ve farklı step lokasyonları da göz önünde bulundurularak çekilmiştir. İnterseptör etkisi ve interseptörlü-stepli durumların etkisinin haricinde teknede enine step uygulamasında optimum step lokasyonunu bulmaya yönelik çalışmalar da icra edilmiştir. Çalışmalarda, boyuna olarak dört farklı step lokasyonu belirlenmiş ve stepin ayna kıçtan uzakığı olan "s" in LCB'ye oranı ile parametrik çalışma icra edilmiştir. Bu bölümde ayrıca, boyuna step yerlerinin model direncine etkisi incelenmiş ve optimum step lokasyonu sonuçlar kısmında yorumlanmıştır. Yedinci bölümde, yüksek hızlı tekne interseptörlü ve stepli model deneyleri icra edilmiştir. Model, farklı hızlarda ve farklı step lokasyonu da göz önünde bulundurularak interseptör uygulamasıyla çekilmiştir. Daha sonra da optimum stepli halde interseptör uygulaması yapılıp yorumlanmıştır. Stepli model deneylerinde interseptörlü modele nazaran trimde azalma olsa da, aynı modelde 1 ve 2 mm bıçak derinlikli interseptörlü ve stepli yapılan deneyde, trim açısında aşırı azalma olmuş ve direnç değerlerinde artış gözlemlenmiştir. 1 mm bıçak derinliğinden daha küçük bir bıçak derinliği deney imkanları göz önünde bulundurulduğunda fiziksel olarak denenemediği için interseptörlü ve stepli durum için deneyler ilerletilememiştir. Bu sebeple, stepli modelde ayrıca interseptör uygulamasının verimli olmadığı yorumu düşünülmüştür. Sekizinci bölümde tez çalışması boyunca elde edilen sonuçlar grafikler halinde verilip yorumlanmıştır. Bu bölümde önerilen çoklu regrasyon modelinin, model deneylerine kıyasla CTM'yi, kabul edilebilir ortalama bir hata ile oldukça iyi tahmin edebildiği belirtilmiştir. Bununla birlikte yapılan deneysel çalışmalara göre gözlemlenen durum ise, tam durum interseptör konumlandırmasında düşük hızlarda interseptörün kapalı olması gerektiği, orta hızlarda interseptörün etkisini gösterdiği ve derinliğe de bağımlı olduğu, bununla birlikte hız arttıkça yüksek bıçak derinliklerinin azaltılması gerektiği olmuştur. Göreceli olarak yüksek süratlerdeki seyirde olan yüksek bıçak derinlikleri tekne triminde aşırı azalma ile birlikte başın suya daha çok girmesini ve aşırı serpintiyi de ekleyerek yüksek direnç oluşumunu tetiklemektedir. Çalışmada aynı zamanda, gemi direncini en aza indirmek için en etkili linterseptör lokasyonunun orta ve çene lokasyonlarına kıyasla, aynı hız ve bıçak derinlikleri için omurga lokasyonu olduğu öngörülmüştür. Çalışma ile, interseptör uygulamalarında tam boyutlu durumun haricinde, en etkili bölgenin omurga ve daha sonra da sırayısla orta bölge ve çene bölgesi olduğu anlaşılmıştır. Beklendiği gibi, interseptör bıçak derinliğinin arttırılması, kıçta oluşturulan dinamik kaldırmayı arttırmakta ve bu da trimi azaltmaktadır. Buna ek olarak aşırı bıçak derinlikleri, negatif trim (başın suya girmesi) ile sonuçlanmaktadır. Omurga bölgesinde bulunan interseptör ve tam durum interseptörde, bıçak derinliklerinin fazla olması, teknenin interseptörsüz haline göre olan trim değerlerinde çok fazla azalmaya sebebiyet vermekte ve baş suya girmektedir. 0.62 Fr hızından itibaren tüm durumlarda model paralel çıkmaktadır. En yüksek paralel çıkma çıplak teknede olmakta, ondan sonra ise interseptörün etkinliğinin en az olduğu durum olan çene konumlu durumda olmaktadır. Bu tez çalışmasında, teknede enine step uygulamasında optimum step lokasyonunu bulmaya yönelik çalışma da icra edilmiştir. Çalışmada boyuna olarak 4 farklı step lokasyonu belirlenmiş ve stepin ayna kıçtan uzakığı olan "s" in LCB'ye oranı ile parametrik çalışma icra edilmiştir. Yüksek süratli benzer bir teknenin Fr 0.74-1.1 hız aralığında olması gereken tekli stepin s/LCB değerinin 0.75-0.82 aralığında (ortalama 0.785) olmasının en uygun durum olduğu anlaşılmaktadır. Dokuzuncu bölümde, ilgili tüm sonuçlar genel olarak özetlenmiş ve değerlendirilmiştir. En verimli interseptör sistemi dizaynı düşünüldüğünde, interseptörler uygulamalarının omurgadan çene bölgesine göre farklı performanslar sergilemesinden dolayı, eğer uygulanabilir durumda ise, sistem akıllı kontrol sistemleri ile donatılarak, dinamik olarak birbirinden bağımsız hareket edebilen en az 3 parçadan oluşmalıdır sonucuna varılmıştır.
-
ÖgeTers-dönüşlü pervane sistemlerinde hidroakustik etkileşim(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-17)Ters-dönüşlü pervane (CRP) sistemlerinde, ön ve arka pervane arasında farklı akış koşulları altında meydana gelen etkileşimin gürültü spektrumu üzerindeki etkisi, gemi arkası durumunda, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Ön ve arka pervane arasında meydana gelen etkileşim; pervane kanatlarının emme ve basınç taraflarında görülen kavitasyon paternleri ile akış hacmi içerisindeki türbülans karakteristikleri dikkate alınarak sınıflandırılmıştır. Sevk noktasında, ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için hesap edilen tork dengesi (ΔQ), sevk verimi (ηD), kavitasyon paternleri, türbülans karakteristikleri ve gürültü spektrumu; kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile karşılaştırılmıştır. CFD çalışmalarında, Reynolds ortalaması alınmış Navier-Stokes (URANS) ve ölçeğe-uyarlanabilir simülasyon (SAS) yöntemleri, SST (shear stress transport) k-ω türbülans modeli ile birlikte kullanılmıştır. SST-SAS modelini SST-URANS modelinden ayıran farklılık, türbülanslı girdap frekansına (ω) ilave edilen bir terimden (QSAS) kaynaklanmaktadır. Çift fazlı akış; VOF (volume of fluid) yöntemi ve kavitasyon ise Rayleigh-Plesset denkleminin basitleştirilmiş bir formunu kullanan Schnerr-Sauer modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Gürültü tahminlerinde, süreklilik ve Navier-Stokes denklemlerinden türetilen ve homojen olmayan yapıdaki bir dalga denklemi olarak ifade edilen Ffowcs-Williams ve Hawkings (FW-H) denklemleri kullanılmıştır. Pervane açık su, kavitasyon ve gürültü spektrumu incelemelerinde, konvansiyonel tipte olan King's College (KCD) KCD 193 pervane modeli kullanılmıştır. Pervane model deneyleri, Newcastle Üniversitesi Emerson Kavitasyon Tüneli'nde (ECT) gerçekleştirilmiştir. CRP sistemleri ile gerçekleştirilen pervane açık su incelemelerinde ise David Taylor Model Basin (DTMB) DTMB 3686-87A ters-dönüşlü pervane çifti kullanılmıştır. Gemi direnci, nominal iz ve sevk incelemelerinde, geometrik özelliklerine ve deney sonuçlarına literatürde erişilebilen, dökme yük tipindeki Japan Bulk Carrier (JBC) gemi modeli kullanılmıştır. JBC gemisi NMRI (National Maritime Research Institute), Yokohoma Üniversitesi ve SRC (Ship Building Research Center of Japan) tarafından, Class NK'nın da dahil olduğu bir endüstri programı kapsamında, araştırma projelerinde kullanılmak için tasarlanmıştır. Doğrulama çalışmalarında, en küçük kareler (LSR) yöntemi kullanılmıştır. CRP sistemlerinin doğrulama ve geçerleme çalışmalarında türbülans modeli, algoritma ve basınç ayrıklaştırma şeması çeşitleri; türbülanslı ölçeklerin modellenmesi, hesaplamaların doğruluğu ve süresi üzerindeki etkileri bakımından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı çalışmalarda, hibrit yapıdaki çok kriterli karar verme yöntemi (MCDM) kullanılmıştır. Performans gereksinimleri bilinen JBC gemisi dikkate alınarak, bir ters-dönüşlü pervane tasarlanmıştır. Pervane tasarımında, Sasaki ve diğ. (1998) tarafından geliştirilen ve Sumitomo Heavy Industries kuruluşunca revize edilen bir yazılım kullanılmıştır. Ön ve arka pervane arasındaki eksenel mesafe (X/DFP), yük dağılımı (LFP:LAP), kanat sayısı konfigürasyonu (ZFP:ZAP) ve devir oranı (nFP:nAP) parametrelerinin; sevk noktasındaki pervane açık su verimi (η0) ve tork dengesi (ΔQ) üzerinde olan etkileri dikkate alınarak, toplamda 81 farklı pervane tasarımı için sistematik bir inceleme gerçekleştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki etkileşimin, gürültü spektrumu üzerindeki etkisi incelenmek istendiğinden, pervaneler arasındaki devir oranı dikkate alınarak, üç farklı sevk noktası bulunmuştur. Hesaplamalı çalışmalarda kullanılan ağ örgüsü yapılarında, ilk hücre yüksekliği (y) ve sınır tabaka içerisindeki toplam katman sayısı; duvardan boyutsuz uzaklık (y+) değeri dikkate alınarak hesap edilmiştir. Akış hacmi içerisinde, yan oran (AR) ve çalıklık (ψ) değerleri için sırasıyla AR<100 ve ψ<0.9 kriterleri genel olarak sağlanmıştır. Model ölçeğinde hesap edilen sevk katsayıları, 1978 ITTC yöntemi kullanılarak tam ölçeğe ekstrapole edilmiştir. Kavitasyon incelemelerinde kullanılacak olan ilerleme katsayısı (J) ve kavitasyon sayısı (σ) değişkenleri belirlenmiştir. Kanat ucu girdap kavitasyonu oluşumunu modellemek için girdaplılık kriterinin (Q) kullanıldığı uyarlanabilir bir ağ örgüsü yapısı oluşturma stratejisi geliştirilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda, ağ örgüsü yapısı iyileştirildikçe; zaman adımı değeri, Courant sayısı (CFL) kriterine (CMAX<1) bağlı olarak küçültülmüştür. CRP sistemlerinde, tek pervaneli sevk sistemlerinden farklı olarak, ön ve arka pervane devirlerinin birbirlerinden farklı olması halinde, hesaplamalı çalışmalarda tamınlanan tekil zaman adımı değerine bağlı olarak, pervaneler arasında bir faz farkı oluşmaktadır. CRP sistemlerinin kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile kavitasyon ve türbülans karakteristikleri bakımından doğru bir karşılaştırmasının yapılabilmesi için bir faz ortalaması alma yaklaşımı geliştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için elde edilen kavitasyon paternleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, akış hacmi içerisinde tanımlanan farklı pozisyonlardaki dairesel kesitler üzerinde, türbülanslı kinetik enerji (k), girdaplılık (Ω) ve türbülans boy ölçeği (l) değerleri incelenmiştir. Gürültü tahminlerinde, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde her bir dalga boyuna en az (λ) 20 hücre sığdırılması, sınır frekansı (cut-off frequency) ve en küçük türbülans boy ölçeğinin en azından iki hücre kullanılarak modellenmesi yaklaşımları dikkate alınmıştır. Hesaplamalı çalışmalarda, pervane önündeki ve arkasındaki akış hacminin bir bölümünü içerisine alan bir akış hacmi (PDS) gürültü kaynağı olarak tanımlanmıştır. Böylece, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde meydana gelen türbülanslı yapıların (kuadrupol) etkileri de incelemelere dahil edilmiştir. Şaft merkezine eşit uzaklıktaki farklı alıcı pozisyonlarında hesap edilen gürültü spektrumları incelenmiştir. Sevk noktasında, tek pervaneli ve farklı devir oranlarındaki CRP sistemleri için bulunan gürültü spektrumları kendi aralarında karşılaştırılmıştır.
-
ÖgeGemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-13)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.
-
ÖgeShipyard productivity evaluation with key performance indicators(Graduate School, 2022-05-27)Shipbuilding is a unique industry dealing with complex and one-of-a-kind products with ever changing demand trends that force the supply limits. Small and medium sized shipyards are suffering to cope with the challenges to survive and sustain their activities. Due to the nature of this business, shipyards need to pay even more attention to their productivity and performance. This requires combining a deeper engineering knowledge with business goals. Recent development in the information technologies followed with automated processes provide means to use data to create knowledge and thereby a better understanding of the processes and to manage them. This thesis suggests a methodology to evaluate the productivity of a shipyard in all hierarchy levels with key performance indicators (KPI) which are derived with a data-driven approach. It demonstrates that a shipyard could develop its own KPIs from its own historical data and utilise them to evaluate its own performance, identify the shortcomings, increase engineering as well as business knowledge and make more accurate estimations before and after signing a shipbuilding contract. Neither data analysis, nor the KPIs are new to this industry. The value of data collection and analysing has been well appreciated for a long time. However, the use of data is mostly limited to the assessment of only certain business cases and lacks an overall perspective for combining strategic objectives to tactical and operational ones and vice a versa. The proposed methodology offers a step-by-step approach to identify these connections considering the major challenges of shipbuilding. It answers the questions of where to start, how to perform and how to interpret and make use of the analysis both with a top-bottom and bottom-up approaches. The methodology offers a deep analysis starting with the investigation of performance shortcomings through background from internal and external sources. This background information is then used for the identification of strategic, tactical, and operational objectives. The methodology explains how these background and objectives could be connected systematically to success factors and relevant measures. Finally, the methodology provides a detailed guide for discovering the KPIs by means of data collection, data organisation, building a data model, performing statistical analyses and how to select and create KPIs and where to use the results. Application of this methodology is shown in a case study performed with real shipyard data from Uljanik Shipyard / Pula – Crotia, as a part of a research project funded by the European Union, HOLIstic optimisation of SHIP design and operation for life cycle (HOLISHIP). By analysing the shipyard dynamics through background and combining these with the project goals, it was decided to create KPIs for the assessment of new structural ship design alternatives from building cost and producibility perspectives. Relevant success factors and measures were identified before starting data collection and analysis. These analyses were performed in a systematic manner which is proposed in the methodology and given in detail in chapter 5 of this thesis. Part of the data was extracted in a structured form from the computer aided ship design and planning software and material resource planning software of the shipyard. Other required data was collected through unstructured interviews, standalone spreadsheets and documents which were then organised in structured spreadsheets. Due to practical reasons like availability, low cost and familiarity of the shipyard employee, data organisation, modelling and analyses were performed by Microsoft Excel. Mainly six data sources were created based on design, production, and commercial data from twelve previously built Roll-on Roll-off Passenger Ships (RoPAX ships), each in spreadsheet format. Some of the spreadsheets having more than 20 columns and over 20.000 rows. These data-sets were then combined in a data model by use of primary keys that were available for all data-sets, namely yard project number, macro space and yard group. The primary keys have connection to each piece of information in all data sets and reflect the way of job handling and data collection of the shipyard. From the data model, several measures were created and tested by means of regression analyses to investigate the relationship between different parameters. Regression analyses were chosen to ease communication with the shipyard and project teams and performed both in single and multiple linear regression methods. These relations were checked upon discussions with the shipbuilding experts from different departments of the shipyard and demonstrated with visual graphs. The expert opinion already supports a technical relation between parameters and measures and thereby eliminating the doubts of causation shown through regression analyses. By this way, it was possible to create two complex KPIs to evaluate the new design alternatives, one for the building cost and the other for the producibility. Shipyard team was already familiar with the basic use of the selected tool. After a one-day training most of the participants were able to handle the data organisation, data model and also were able to create their own measures and make their own analyses. It was found that better relations could be modelled when more experts were involved with technical background from different departments like production and design. It should be noted that the application of the suggested methodology relies on two major prerequisites. First one is that the data must exist, otherwise the methodology could only guide the shipyard for defining the data which needs to be collected. Second one is the involvement and support of the executive management, otherwise application of the methodology would be another number crunching exercise which would not be used and improved for daily use. Furthermore, application of the methodology requires mass amount of time at the beginning with the involvement of shipyard experts and a dedicated core team to extract data and build up the data model. Also, the results of the study cannot be generalised, but rather could only be used by the shipyard in question. The main contribution of this thesis is to provide a guideline for Small and Medium Sized Shipyards which are in need for a systematic approach for digitalisation and answering questions such as where to start, why data collection is necessary, how to handle data, which data to be collected, what to do with the collected data, how to make analyses, and in which ways these analyses could be used. It was shown that the collected data could be easily turned into engineering knowledge to support the processes improvements as well as business decisions. Finally, the study paves the way for further analyses and studies for improving the productivity with a data-driven approach. Future studies could focus on more complex analyses on productivity of outfitting works and effects of qualitative factors with more advanced tools like machine learning algorithms that are connected to a live data base.