LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 17
-
ÖgeJenerik denizaltı geometrisinin katsayı tabanlı manevrakarakteristiklerinin had ve analitik çözüm yöntemleri ile analizi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-11)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.
-
ÖgeYüzen bir cismin su altı patlamalarına karşı yapısal davranışının nümerik yöntemler ile analizi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-23)Su altı patlaması olayını sayısal yöntemlerle doğru ve gerçekçi bir şekilde modelleyebilme yeteneği, bugün bile tüm donanmaların odaklandığı ve üzerinde milyonlarca dolar harcadığı bir olgudur. Bu çalışmaların büyük çoğunluğu ve gerçek boyutlu sualtı patlama testleri, yüksek derecede gizlilik içerdikleri için literatürde ve açık kaynaklarda ayrıntılı olarak yer almamaktadır. Genel olarak, mayınlar ve torpidolar, deniz savaşları sırasında savaş gemileri ve diğer donanma unsurları için en korkulan tehditler arasındadır. Mühendisler, oldukça uzun süredir, su altı patlamasının savaş gemileri üzerindeki etkisini anlamaya ve analize etmeye çalışmışlar ve bu konuda oldukça başarılı sonuçlar elde etmişlerdir. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında üzerinde durulduğu gibi, günümüzde bile tam olarak anlaşılamayan ve üzerinde daha derin çalışmaların gerçekleştirilmesi gereken alt konular bulunmaktadır. Mayınlar, torpidolar ve diğer su altı patlayıcıları, yalnızca donanma araçları için bir sorun değil, aynı zamanda elektro-optik kablo, petrol ve doğal gaz boru döşeme operasyonları, su altı madencilik uygulamaları vb. gibi açık deniz mühendislik uygulamaları için de büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Baltık Denizi, Kuzey Denizi Kıyıları, Kuzey Almanya ve Manş Denizi'nde I. ve II. Dünya Savaşları'ndan kalan patlamamış bu mühimmatlar, günümüzde bile hem insan hayatını hem de ülkelerin ekonomik bölge ve çıkarlarını tehdit etmektedir. Bu nedenle, patlayıcıların deniz yapıları üzerindeki etkilerinin tahmin edilmesi ve incelenmesi, insan yaşamının ve milyon dolarlık ekipmanın bu patlamalar neticesinde nasıl etkilenebileceğini anlamak için oldukça önemlidir. Farklı su altı patlama senaryoları esas alınarak, gemi mühendisleri, su altı patlamasının etkilerini insanlar ve gemi ekipmanları üzerinde azaltabilmek için farklı yapısal önlemler geliştirebilirler. Bunun sağlanabilmesi için, su altı patlaması olayının iyi bir şekilde anlaşılabilmesi ve matematik modelinin doğru bir şekilde kurulması oldukça önemlidir. Sualtı patlaması sonucunda gemi ve hayati sistemleri olumsuz bir şekilde etkilenmektedir. Dünya donanmalarının çoğu, ekipmanın tasarım ve teklif verme aşamalarında ekipmanın şok direncini belirlemek için Birleşik Krallık savunma standartları olan DEF-STAN-08-120/2 gerekliliklerini göz önünde bulundurmaktadır. Bir deniz aracının ömrü boyunca kullanacağı teçhizat, DEF-STAN-08-12'de tanımlanan sertifikalara sahip olmalıdır. DEF-STAN-08-120/2'ye ek olarak, birçok deniz aracı ekipmanı yine Amerika Birleşik Devletleri savunma standardı olan MILS-901D'ye göre şok testlerine tabi tutulabilir ve bu testlerden başarı ile geçmelidir. Bu testler, denizaltı basınçlı gövde penetrasyonları hariç olmak üzere, gemideki makine, ekipman, sistem ve yapılar için şok testi gerekliliklerini kapsamaktadır. Bu testlerin amacı, gemideki ekipman ve tesislerin, savaş sırasında nükleer ve konvansiyonel silahların etkileri nedeniyle maruz kalabilecekleri şok yüklere dayanma kabiliyetini araştırmak ve doğrulamaktır. Bunun için şok dalgasının ekipman üzerindeki ivme ve hız değerlerinin doğru bir şekilde hesaplanması ve analiz edilmesi gerekir.xxvi Gerçekleştirilen analizlerden elde edilen sonuçların doğruluğunun deneylerle sağlanması esastır. Su altı patlama analizinde elde edilen sonuçlarda su bölgesi ve hedef plaka ağ yapısı özelliklerinin doğru bir şekilde tanımlanması çok önemlidir. Öte yandan, patlayıcı, su bölgesi ve hedef plaka parametreleri, sonuçları önemli ölçüde etkileyen diğer önemli analiz girdileri arasındadır. Su altı patlama deneyleri maliyetli olduğundan ve donanmalar ve hükümetler tarafından yüksek gizlilik dereceleri ile sınıflandırıldığından, literatürde gerçek ölçekli deneysel sonuçlar bulmak oldukça zordur. Bu nedenle, literatürdeki hemen hemen tüm deneyler ve çalışmalar, basitleştirişmiş dairesel, dikdörtgen, silindirik ve sabit mesnetli plakalar ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, Johnson-Cook plastisite modeli kullanılarak dikdörtgen şeklindeki yüksek mukavemetli çelik bir levha, ABAQUS yazılımında yer alan S4R dört düğümlü genel amaçlı kabuk elemanları kullanılarak ağlandırılmıştır. Patlayıcı için Geers-Hunter TNT modeli kullanılmıştır. Analiz sonucunda elde edilen değerler deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. ASC analizinde, akustik alan için ASI3D8, 8 düğümlü ikinci dereceden elemanlar kullanılmıştır. CEL analizi sırasında, üç boyutlu, 8 düğümlü EC3D8R Euler öğeleri kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, TNT'nin durum denklemlerinin tanımlanması esnasında kullanılan Geers-Hunter parametreleri üzerinde SOBOL varyans tabanlı duyarlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Su altı patlaması ile ilgili kapsamlı bir literatür olmasına rağmen, mevcut çalışmaların hiçbiri özellikle patlayıcı parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisini incelememiş ve SOBOL varyans tabanlı duyarlılık analizleri gerçekleştirmemiştir. Gerçekleştirilen analizler neticesinde "𝐾" ve "𝑘" Geers-Hunter TNT parametrelerinin sonuçlar üzerinde en etkili parametreler olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca bugüne kadar yapılan çalışmalarda doğru şok dalgası basıncı ve hedef yapı deformasyonlarının elde edilebilmesi için Euler ve Lagrangian yapıları arasındaki ağ yapısı ilişkisinin nasıl olması gerektiği ile ilgili herhangi bir önermede bulunulmamıştır. Burada bahsedilen maddelere ek olarak yine literatür taramasında elde edilen sonuçların tutarlılığını kontrol edebilmek amacı ile enerji yaklaşımı veya kodu ile nümerik analiz sonuçların kaşılaştırıldığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Burada belirtilen nedenlerden dolayı, bu çalışmanın, sualtı patlama olayının matematiksel modellemesi için sayısal yöntemler ve ilgili parametrelerin kullanılması konusunda literatüre katkıda bulunması amaçlanmıştır. Bu tez çalışmasında sadece Acoustic Solid Coupling (ASC) yöntemi ile değil aynı zamanda Coupled Euler Lagrange (CEL) yöntemi ile sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. CEL yöntemi, ASC yönteminden tamamen farklı bir nümerik yöntemdir. ASC ve CEL yöntemleri arasındaki en önemli fark, CEL yönteminde patlayıcının da ağlandırılması gerekliliğidir. ABAQUS yazılımında, ASC analizinde patlayıcının konumu, hedef deniz yapısının konumuna göre x, y ve z koordinat sisteminde girilerek bir nokta olarak tanımlanabilmektedir. Analizleri gerçekleştiren mühendis, yalnızca patlayıcı parametrelerini ve patlayıcının lokasyonunu tanımlayarak analizleri gerçekleştirebilir. Buna karşın, CEL analizlerinde TNT veya diğer patlayıcının da geometrik olarak tanımlanması ve sonrasında ağlandırılması gerekmektedir. Bu çalışmada açık bir şekilde ortaya konmuş olduğu gibi, patlayıcıyı çevreleyen su ortamının ağ yapısı doğrudan patlayıcı ağ yapısı ile ilişkili olduğundan, CEL analizleri, ASC analizlerine göre çözüm süresi ve bilgisayar donanımı gerekliliği açısından daha maliyetlidir. Ancak, CEL yaklaşımı, patlayıcının küresel, kübik vexxvii diğer rastgele şekiller gibi farklı geometrilerle modellenmesine izin verebildiği için analizi gerçekleştiren mühendise avantaj sağlamaktadır. ASC ve CEL analizlerine dayalı olarak elde edilen sonuçlar birbirleriyle ve ayrıca deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yukarıda belirtilen sayısal analizlerin dışında, analiz sırasında patlayıcıdan, patlayıcıyı çevreleyen sıvıya enerji akışını gözlemlemek için bu çalışma kapsamında PTC Mathcad yazılımı kullanılarak, şok dalgası için enerji kodu yazılmıştır. Bu kod, Eşleştirilmiş Euler Lagrange sayısal analizinde şok dalgasının önündeki enerji dağılımının kontrol edilebilmesi ve takip edilebilmesi açısından önemli bilgi vermektedir. Bu çalışmanın ilerleyen bölümlerinde bu konuda ayrıntılı bilgi verilmiş olup, yazılan şok dalgası enerji kodu EK-1'de yer almaktadır. Analiz sırasında toplam enerji değişimini takip etmek, ağ yapısının doğruluğu ve kararlılığı hakkında da iyi bir fikir vermektedir. Analiz sırasındaki toplam enerji dağılımı sürekli kontrol edilmeli ve her adımda, analiz sırasında mevcut adım ile bir önceki adım arasında önemli bir fark olup olmadığı kontrol edilmelidir. Bu çalışma, deneysel yöntemler ile elde edilmiş olan plaka deformasyonunu sağlayabilecek parametreler ve ağ yapısı özelliklerini belirlemek ve bu özelliklerin, yakın su altı patlamasına maruz kalan daha büyük ölçekli deniz yapılarına uygulanabilmesini sağlamak amacı ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma neticesinde bu konuda bir önermede bulunulmuş ve bu önermenin doğruluğu deneysel ve karşılaştırmalı yöntemler ile sağlanmıştır. ASC ve CEL analizleri neticesinde elde edilen şok dalgası basıncı, ampirik formüllerle ile elde edilen şok dalgası basıncı ile fikir vermesi açısından karşılaştırılmış ve elde edilen değerler ilerleyen bölümlerde sunulmuştur. Analizler neticesinde hem akustik hem de Euler bölgesi ağ yapısı boyutlarının yaklaşık 8 mm olarak kullanılması durumunda hem şok dalgasına maruz kalan plakanın deformasyonu, hem de ampirik yöntemler kullanılarak elde edilen şok dalgası basıncına en yakın sonuçların elde edildiği anlaşılmıştır. Bununla birlikte, deney sonuçları ile tutarlı sonuçlar elde etmek için, ASC yönteminde hedef plakada 25 mm eleman boyutları kullanılması durumunda, deney sonuçlarına en yakın sonuçlar elde edilirken, CEL analizlerinde hedef plaka için eleman boyutunun 21 mm olması durumunda deney sonuçlarına en yakın deformasyon değerleri elde edilmiştir
-
ÖgeInvestigation of the effects of alternative fuel use on performance and emissions in a compression ignition (CI) diesel engine(Graduate School, 2024-01-11)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%.
-
ÖgeModelling and estimation of ship motions(Graduate School, 2023-07-27)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.
-
ÖgeTersane yerleşimi optimizasyonu ve simülasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-31)Bu çalışmanın temel amacı, tersane yerleşimi optimizasyonu modeli geliştirmek ve Türkiye'de bulunan tersanelere bu modeli uygulayıp, tersanelerimizi daha verimli hale getirmektir. Bu amaç için Sistematik Yerleşim Planlama ve Graf-teorik Yaklaşım modeli ilk defa gemi inşaatı problemine uygulanmış, ayrıca bu uygulamanın Arena simülasyonu ile karşılaştırmasını yapılmıştır. Ek olarak, Türkiye'nin önde gelen bir tersanesinde gerçek olay uygulanması gerçekleştirilmiştir. Yalova'da bulunan ve yıllık 50.000 ton çelik işleme kapasitesine sahip bir tersanenin üretim verimliliği artırılmış, yerleşim planı iyileştirilmiş ve iyileştirilen yerleşim planının üretim sürelerine olan etkisi derinlemesine incelenmiştir. Tesis yerleşimi problemi, bir tersane için uyarlanmış, analiz edilmiş ve kapsamlı bir literatür taramasıyla birlikte sonuçlarıyla sunulmuştur. Tesis yerleşimi problemi, bir üretim sistemi için departmanların fiziksel konumlarının belirlenmesini ifade eder. Herhangi bir imalat endüstrisi, tesis departmanlarının nereye yerleştirileceği ve bu tesislerin verimli bir şekilde tasarlanması gibi önemli ve temel stratejik konularla karşı karşıya kalabilir. Tesis yerleşimi tanımı, sistem genelinde iş akışına odaklanarak departmanların fiziksel bir konumlandırılması olarak yapılmakta ve en yüksek operasyonel verimliliği en düşük maliyetle elde etmek için tasarlamaktır. Tesis yerleşimi problemi için en önemli hedef malzeme taşıma maliyetinin minimize edilmesidir, ancak niceliksel ve niteliksel hedefler de uygulanabilir. Azaltılmış malzeme hareketi, sadece malzeme taşıma maliyetlerini en aza indirgemekle kalmaz, aynı zamanda süreç içi envanter seviyelerini ve üretim sürelerini azaltır, daha az hasarlı ürün üretimine olanak sağlar, malzeme kontrolünü ve programlamayı basitleştirir ve genel sistemsel tıkanıklığı azaltır. Bu nedenle, malzeme taşıma maliyetini en aza indirirken, diğer hedefler de aynı anda gerçekleştirilebilir. Tesis yerleşimi problemi; üretim departmanlarının göreceli ilişkilerine göre yerleştirilmesiyle ilgilenir ve tesis yerleşimi tasarımı, iş akışını düzene sokmayı ve üretkenliği artırmayı amaçlar. Tesis yerleşimi, ürünün her parçasının/bileşenin, tesis boyunca önceden belirlenmiş bir yol izlemesini, çeşitli parçaların yollarını koordine etmesini ve böylece imalat işlemlerinin en ekonomik şekilde gerçekleştirilmesini sağlamayı amaçlar.