LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

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

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 21
  • Öge
    Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-15) Karaalioğlu, Mehmet Salih ; Bal, Şakir ; 508152008 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Endüstriyel üretimdeki artış, dünya nüfusunun hızla artması, gelişen teknoloji ve insanların yaşam standartlarının artması; büyük miktarda enerji ihtiyacını beraberinde getirir. Günümüzde artan enerji talebinin karşılandığı birinci kaynak fosil yakıtlar özellikle petroldür. Fakat artan bu talebi kısıtlı ve tükenen fosil kaynaklarla temin etmenin uzun vadede mümkün olmayacağı açıktır. Fosil yakıt kullanımının doğa üzerindeki olumsuz etkileri (iklim değişikliği, hava kirliliği, küresel ısınma, çevre kirliliği, $\mathrm{CO}_2$ emisyonu vb.…) son yıllarda insanlar tarafından daha görünür hale gelmekte ve toplumların refahını önemli ölçüde etkilemektedir. Fosil yakıtları çevreye olan olumsuz etkileri, uluslararası anlaşmalar ile gelen yükümlülükler, ülkelerin enerji güvenliği ihtiyacı ve sürdürülebilirlik; yenilenebilir enerjiye olan yönelimin ana nedenleridir. Ülkemizde de sürdürebilir kalkınmanın ve enerji güvenliğinin sağlanabilmesi için yenilenebilir enerji kaynaklarını verimli bir şekilde kullanması mecburidir. Ülkemizde kullanılan yeşil enerji kaynakları rüzgar, jeotermal, güneş, hidroelektrik ve dalga enerjisi olarak sıralanabilir. Ülkemiz için temel hedef, bu sıralanan enerji kaynaklarını en verimli şekilde kullanarak yeşil enerjinin toplam enerji üretim oranını artırmaktır. Türkiye üç tarafı denizlerle çevrili ve 8 bin 333 km kıyı şeridine sahiptir. Fakat denizlerimizin sahip olduğu büyük ve sürekli enerji potansiyelinden olması gerektiği gibi yararlanamadığı görülür. Bu nedenle denizlerin sahip olduğu yeşil enerji ile alakalı her türlü çalışmanın teşvik edilip desteklenmesi geleceğimiz için elzemdir. Denizde büyük bir enerji potansiyeline sahip akım enerjisini kullanılabilir enerjiye çeviren birçok sistem vardır. Bu sistemlerden en yaygın kullanılanı sualtı akıntı türbinleridir. Su altı akıntı türbinleri, akımın sahip olduğu kinetik enerjiyi mekanik torka çeviren sistemlerdir. Dönme ekseni ile akım yönünün birbirlerinin konumuna göre iki tipe ayrılır. Akım yönü ile dönme ekseni birbirlerine paralel ise yatay eksenli, akım yönü ile dönme ekseni birbirine dik ise dikey eksenli su altı akıntı türbini olarak sınıflandırılır. Yüksek verim, düşük bakım maliyeti, düşük tork dalgalanmaları gibi avantajlara sahip olmasından dolayı yatay eksenli türbinlerin dikey eksenli türbinlere oranla kullanımı daha yaygındır. Bu çalışmada ele alınan tüm sualtı akıntı türbin modelleri yatay eksenli tiptedir. Sualtı akıntı türbinlerinin çalışma prensipleri rüzgar türbinleri ile benzerdir. Bu nedenle rüzgâr türbinleri ile alakalı yapılan çok sayıda çalışmadan elde edilen bilgiler ve kullanılan yöntemler sualtı akıntı türbinlerine de uygulanabilir. Rüzgar türbinleri ile sualtı akıntı türbinlerinin benzer çalışma mekanizmasına sahip olmasına karşın farklı türbülans yoğunluklarında çalışması, çalıştıkları akışkan özellik farkları ve kavitasyon oluşumu aralarında en belirgin ve dikkat edilmesi gereken farklılıklardır. Geliştirilen sayısal analiz araçlarında en önemli hedef, matematiksel yöntemin gerçek durumu en doğru şekilde modelleyebilmesidir. Bu nedenle kavitasyon olgusunun yönteme dahil edilmesi sayısal aracın doğruluğu açısından çok önemlidir. Çalışmada rüzgâr türbinlerinin performans analizlerinde de sıklıkla kullanılan momentum kanat elemanı yöntemi kullanılmıştır. Momentum kanat elemanı yöntemi, momentum yöntemi ve kanat elemanı yönteminin birleşiminden oluşmaktadır. Kanat elemanı yönteminde kanat kökten uca doğru belirli sayıda bölüme ayrılır. Her bir parçadan elde edilen itme ve tork değerleri hesaplanıp kanat boyunca integre edilir. Böylece rotora ait toplam itme ve tork değerleri hesaplanır. Yöntem çalışırken kanat kesitlerine ait kaldırma ve direnç kuvveti katsayılarını kullanır. Bu değerlerin doğruluğu, yöntem sonuçlarını doğrudan etkiler. Literatürde yapılan çalışmalarda kaldırma ve direnç kuvvet değerleri genellikle panel yöntemleri ile hesaplanır. Tez çalışmasında bu değerler panel yönteminin yanı sıra HAD analizleri ile de hesaplanmıştır. Bu kesitlere ait akım karakteristikleri kavitasyonlu durum altında hesaplanırsa kavitasyon olgusu ve lineer olmayan viskoz etkiler kanat elemanı yöntemlerine dahil edilmiş olur. Oluşturulan kanat elemanı yöntemi kodunun doğrulamasını yapmak için deney verileri olan üç tane sualtı akıntı türbini seçilmiştir. Bu üç türbin farklı çaplarda ve sırasıyla iki, üç ve dört kanatlıdır. Bu türbinlere ait kesit karakteristik değerler panel yöntemi ve iki boyutlu HAD analizleri ile hesaplanmıştır. Kanat elemanı yöntemi ile farklı uç hız oranlarına karşılık boyutsuz güç ve itme katsayıları elde edilmiş, elde edilen bu sayısal değerleri deney değerleri ile kıyaslanarak, oluşturulan matematiksel modelin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu kavitasyon yapan kesitler için HAD analizleri OpenFOAM programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM kütüphanesi C++ programlama dili ile hazırlanmış sonlu hacimler yöntemini kullanan açık kaynaklı bir programdır. İki boyutlu ağ yapıları ise düzgün yapıda ve C-tip hesaplama alanı topolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. Türbülanslı akım tüm analizlerde SST k-$\omega$ yaklaşımı ile modellenmiştir. Ağ örgüleri türbülans modeli gereksinimlerine uygun olarak ($\mathrm{y}^+$<1) hazırlanmıştır. Kavitasyon modeli olarak Schnerr-Sauer seçilmiştir. Zamandan bağımsız analizlerde, zaman adımı program tarafından CFL<1 koşuluna uygun şekilde her hesaplama adımı için hesaplanmıştır. Kavitasyonlu durum altında kanat elemanı yöntemi ile incelenen türbin kanat kesit geometrisi NREL S814 geometrisine ait kavitasyonlu deney sonuçları literatürde mevcut değildir. S814 geometrisine ait kavitasyonlu HAD analizlerine geçmeden önce seçilen HAD şemalarının ve ağ yapılarının doğruluğu, literatürde deney verileri olan ve sıklıkla kullanılan vakalarla yapılmıştır. Bu amaçla üç farklı kavitasyonlu durum incelenmiştir. Bunlar küre başlı geometri, NACA 66 geometrisi ve Clark-Y geometrisidir. Küre başlı geometride analizler $0.2\leq\sigma \leq0.5$ aralığında üç farklı kavitasyon sayısı için gerçekleştirilmiştir. Geometri üzerindeki basınç dağılımı ve kavitasyon şekli deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, NACA 66 geometrisi için kavitasyon analizleri $0.84 \leq \sigma \leq1.0$ durumları için gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan kaldırma ve direnç kuvveti katsayıları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. NACA 66 ve küre başlı geometriye ait analizlerde kavitasyon hacmi analiz zamanı ilerledikçe büyür, bir süre sonra belli bir değer etrafında çok küçük salınım yapar. Geometri üzerinde sabit bir kavitasyon oluşumu görülür. Clark-Y geometrisinde ise bu iki durumdan farklı olarak kavitasyon oluşur, farklı formlara dönüşür ve yok olur. Daha sonra bu çevrim tekrar eder. Clark-Y geometrisine ait bir çevrim boyunca okunan ortalama kaldırma ve direnç kuvveti değerleri ve ortalama basınç değerleri deney verileri ile kıyaslanmıştır. İncelen bu üç durum sonucunda elde edilen sayısal sonuçların deney verileri ile makul bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Böylece kavitasyonlu analizlerde seçilen çözüm şemalarının ve zaman adımlarının doğrulaması yapılmıştır. Bu analiz kurulumu kullanılarak geniş bir Reynolds ve kavitasyon sayısı aralığında NREL S814 kavitasyonlu kesit vaka analizleri yapılmış, kanat elemanı yönteminde kullanılmak üzere kaldırma ve direnç kuvveti katsayı tabloları oluşturulmuştur. BEMT yöntemi ile üç farklı türbin geometrisi incelenmiştir. Bu türbinlerden biri üç boyutlu olarak modellenmiş ve çalışmada daha önce yapılan HAD analizlerinden farklı olarak geometrinin tamamı HAD analizinde incelenmiştir. Analizlerde kavitasyonsuz durum geçerlidir. Türbinin dönme hareketi MRF yöntemi ile modellenmiştir. Türbülans modeli olarak k-$\omega$ seçilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar, deney ve daha önce yapılan sayısal çalışma sonuçları ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Ayrıca türbin modeline ait hidrodinamik performans değerleri deneysel olarak da incelenmiştir. Deneysel çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı Çekme Tankı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmanın ilk adımında üç boyutlu çizim programı ile ölçeklendirilmiş türbin model geometrileri hazırlanmış ve üç boyutlu yazıcıda fiber filament kullanılarak üretilmiştir. 15 cm ve 18 cm çaplı iki ve üç kanatlı olmak üzere 4 adet türbin modeli üretilmiştir. Daha sonra uygun bir gemi modeli seçilmiş, bu gemi modelinin baş kısmından şaft çıkarılarak türbin monte edilmiştir. Deneysel çalışmada açık su pervane deney prosedürü takip edilmiştir. Akım hızı yani model araba hızı sabit tutulup, elektrik motoruna bağılı türbinin devir sayısı değiştirilerek istenen uç hız oranı değerleri elde edilmiştir. Tüm deney boyunca dinamometre ile itme ve tork değerleri anlık kaydedilmiştir. Geniş bir uç hız oranı aralığında güç ve itme katsayı değerleri hesaplanmış, sonuçlar literatürde bulunan deneysel ve sayısal çalışmalar ile mukayese edilmiştir. Son bölümde ise tez sonucunda elde edilen sonuçlar ayrıntılı bir şekilde yorumlanmıştır. Bu konu başlığı altında gelecekte yapılabilecek çalışmalara önerilerde bulunulmuştur.
  • Öge
    Otomatik kontrol sistemlerinin gemiler arası ikmal operasyonlarında uygulanması
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-29) Bozkurt, Bilgin ; Helvacıoğlu, Şebnem ; Ertogan, Melek ; 508112009 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Günümüz dünyasında nesnelerin kontrolünün önemi giderek artmaktadır. Elbette kontrol edilmek istenen sistem kararlı koşullarda hareket ettiğinde kontrolü sağlamak daha kolay olurken, koşullar dinamik hale geldiğinde kontrol giderek zorlaşmaktadır. Dronlar, deniz araçları veya otonom olarak hareket eden bir arabanın kontrol edilmesi dinamik kontrol gerektiren durumlardan bazılarıdır. Ortamın dinamizmi arttıkça bu dinamizme cevap verecek kontrol sistemlerini oluşturmak daha da zorlaşmaktadır. Şüphesiz gemilerde yük transferi operasyonları, bu zor kontrol görevlerinden biridir. Sert deniz koşulları bu operasyonların kontrolünü daha da karmaşıklaştırmaktadır. Gemilerde yük transferi, gemiden karaya, gemiden deniz dibine, gemi güvertesindeki bir noktaya veya gemiden gemiye olabilir. Yükü veren ve alan platformların her ikisi de hareketli olduğundan gemiden gemiye yük aktarma operasyonu kuşkusuz en zorlu operasyonlardan biridir. Sabit bir zemine yük verme durumundan farklı olarak, her iki platformun da hareketli olması, kontrolde dikkate alınacak serbestlik derecelerinin iki katına çıkmasına neden olur. Gemiden gemiye yük transferindeki bir diğer zorluk ise, hedef gemide yükün ineceği alan sınırlı olduğundan, sadece düşey yönde değil, geminin enine ve boyuna eksenlerinde de hareketin kontrol edilmesi gerekliliğidir. Diğer bir deyişle yatay kontrol ile yükün güvertede istenmeyen alanlara kontrolsüz teması engellenmelidir. Bir diğer zorluk da yükün sallantısının ve yatay salınım hızının da iniş sırasında kısıtlanması gerekliliğidir. Yükün alçalma sırasında sallanması, yatayda halat çıkış noktası istenilen noktada olmasına rağmen kontrolsüz yatay harekete neden olabilmekte ve yükün yatay hızı, yükü hedef gemide karşılayacak olan gemi personeli için hayati risk oluşturabilmektedir. Gemilerde yük transfer kontrolü ile ilgili çoğu çalışma, genellikle gemiden deniz tabanına yük transferi konusuna odaklanmıştır. Bu nedenle bu çalışmalarda yatay kontrol hariç bırakılarak dikey kontrol ele alınmaktadır. Ancak, zorlu deniz koşulların, yükün sallanması, yatay düzlemde hedef iniş noktasından sapması ve yatay düzlemdeki hızından kaynaklanan riskler nedeniyle operasyonun güvenliği için daha fazla kontrolörün birlikte çalışmasına ihtiyaç bulunmaktadır. Bu tezde, sert ve çok sert deniz koşullarında, bir açık deniz elektro-hidrolik vinç ile gemiden gemiye ikmal operasyonu sırasında yükün dikey, yatay deplasmanının ve salınım kontrolünün sağlanması ele alınmıştır. Çalışma düzensiz dalgalar üzerinde gerçekçi gemi hareketleri kullanarak modellenmiştir. Ayrıca gemi, kreyn ve yükün dinamiğini göz önünde bulunduran geometrik model, matematiksel hidrolik sistem ve yükün sallantısının izlenmesi için matematiksel sallantı gözlem modelini tez kapsamına dahil edilmiştir. Çalışmada kullanılan tüm matematiksel modeller deneysel olarak doğrulanmıştır. Kontrol modelinde dikey kontrolde kullanılan Yörüngesel Rota Kontrol Sistemi sayesinde yükün istenilen dikey konum ve hız rotasında hareket ettirilerek güvenli bir şekilde indirilmesi sağlanmaktadır. Yenilikçi olarak eklenen teleskopik kol desteği ile operasyonun gerektirdiği yatay pozisyonlama ve salınım kontrolü çok zorlu deniz koşullarında bile yapılabilmektedir. Salınım önleme modeli, yardımcı kolu global olarak yatay tutma stratejisiyle güçlendirilmiştir. Yükün yatay salınımının çoğu, geminin yalpa hareketinden kaynaklanmaktadır. Yardımcı kolu yatay tutmak üzerine kurulu bu strateji, yalpa hareketinin etkisini büyük oranda kırar ve yükün hem yatayda hem de dikeyde sapmasını önemli oranda azaltır. Bu strateji, aynı zamanda teleskopik kolu yatay bir düzlemde tutarak en verimli şekilde çalışmasını sağlamaktadır. Teleskopik kol vasıtasıyla, sallanma hareketi makul bir seviyeye kadar dengelenir. Sistemin başarısı, yükün yatay deplasman hatasının mümkün olduğu kadar küçük olmasına ve eş zamanlı olarak sallanma hareketinin de azaltılmasına bağlıdır. Çalışmada gerçekçi açık deniz dalgalarında hareket eden gemi hareketlerini elde etmek için deneysel olarak doğrulanmış Marine Systems Simulator (MSS) Hydro programı kullanılmıştır. Tezde önerilen kontrol sistemi, 175 m tanker gemisi ve 82,8 m ikmal gemisi için farklı belirgin dalga yüksekliği ve dalga açısı koşullarında elde edilen hareket verileri ile test edilmiştir. Hareket denklemlerini etkileyen tüm parametreler dikkate alınarak kreyn geometrisi ve halat çıkış noktasının uzaydaki dinamik konumu modellenmiştir. MSS programında geminin ağırlık merkezine göre gemi hareketleri elde edilmektedir. Bu nedenle çalışmada gemi hareketlerini okuyan hareket referans biriminin (MRU) geminin ağırlık merkezinde olduğu kabul edilmiştir. MRU'yu referans alan halat çıkış noktasının geometrik konumuna ulaşmak için gerekli tüm geometrik denklemler oluşturulmuştur. Ayrıca kreyn kollarının anlık geometrik açılarına, teleskopik kolun dinamik strokuna ve geminin dinamik dalıp-çıkma, baş-kıç vurma ve yalpa hareketlerine göre halat çıkış noktasının dinamik konumunu veren denklemler oluşturulmuştur. Halat çıkış noktasının geometrik konumuna dönme hareketinin etkisi eklendikten sonra geminin sırasıyla yalpa, baş-kıç vurma ve dalıp-çıkma hareketlerinin etkileri de denklemlere adım adım eklenmiştir. Hidrolik sistem tamamen matematiksel olarak modellenmiştir. Çalışmada sunulan hidrolik sistem modeli tamamen kapalı çevrim bir model arz etmektedir. Eyleyicilerin hareketleri, yükün konumunu ve kontrol edilecek parametreleri etkilemekte ve bu parametrelerin bir sonraki andaki durumları bir sonraki andaki kontrol komutlarını ve dolayısıyla eyleyicilerin bir sonraki andaki hareketlerini belirlemektedir. Ortaya konulan matematiksel model, basınca duyarlı değişken debili hidrolik pompa, hidrolik motor, 4 yollu oransal valf, emniyet basınç valfi, hidrolik silindirler gibi gerekli tüm hidrolik sistem elemanlarını içermektedir. Silindir strok hareketlerinde meydana gelen sürtünme faktörü ve hidrolik yağın dinamik basınç altında değişen eşdeğer elastisite modülü de hesaplamalara dahil edilmiştir. Ayrıca matematiksel hidrolik model önceden yapılmış bir deneyin girdileri kullanılarak test edilmiş ve çalışmadaki matematiksel hidrolik sistem modelinin verdiği sonuçların deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca tüm hidrolik eyleyiciler üzerindeki dinamik yük modellenmiştir. Bu hesaplamalar sırasında gemi hareketlerinin sistem dinamiği üzerindeki etkileri, gemi hareketlerinden dolayı kreynin global eksenlerdeki geometrik pozisyonundan kaynaklanan yer değiştirmeler, yükün ivmelenmesinin neden olduğu ek yükler, yardımcı kolun global yatay açısına göre teleskopik kol üzerindeki yükün yönünün değişmesi gibi birçok faktör hesaplamalara dahil edilmiştir. Çalışmanın amaçlarından biri de yükün salınım hareketini sınırlamak olduğu için salınım hareketi için matematiksel bir gözlemci modeli ortaya konulmuştur. Halat çıkış noktasının x, y ve z eksenlerindeki dinamik hareketini ve anlık salınmış halat uzunluğunu dikkate alan bu model, yükün hem x hem de y eksenlerindeki salınımını gözlemektedir. Çalışmada farklı kontrol modelleri ile benzetimler yapılmış ve bu kontrol modelleri ayrı ayrı tanıtılmıştır. Ana ve yardımcı kol kontrolü için bulanık ve PID kontrol modelleri ayrı ayrı test edildiğinden, kontrol yöntemlerinin anlatıldığı bölümde bulanık mantık kontrol modeli ve PID kontrol modelleri tanıtılmıştır. Vinç ve teleskopik kol kontrolünde ise PID kontrol yöntemi dışında Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) yöntemi ve Parçacık Sürü Optimizasyonu Orantılı-Türev-İkinci Türev (PSO-PDD2) kontrol yöntemleri kullanılarak PID katsayılarını farklı gemi ve deniz şartlarına otomatik olarak uyarlayan sistem entegre edilmiştir. Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemi kontrol sistemleri bölümünde de detaylı olarak anlatılmıştır. Çalışmada, gemiden gemiye yük transfer dinamiği ve kontrolünün farklı gemi ve deniz koşulları için uygulamaları yapılmış ve uygulama sonuçları analiz edilmiştir. Farklı denetleyici türlerinin problem çözmedeki performanslarını karşılaştırmak için PID, Bulanık Mantık ve PSO olarak da anılan Parçacık Sürü Optimizasyonu (Particle Swarm Optimization) denetleyicileri ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu bölümde ana ve yardımcı kolların PID ve Bulanık Mantık kontrol yöntemleri kullanıldığında elde edilen dikey ve yatay sapma sonuçları karşılaştırılmıştır. Daha sonra vinç ve teleskopik kol için klasik PID yöntemi dışında, PSO-PID kontrol yöntemi kullanılarak dikey ve yatay hata, salınım açısı ve yatay hız sonuçları elde edilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçların sağlıklı bir şekilde değerlendirilebilmesi için elde edilen hata verilerinin Ortalama Mutlak Hata (MAE) değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde çalışmada sunulan sistem modelinin düşey hatayı % 95 oranında azalttığı, yükü istenilen düşey konum ve hız rotasında indirebildiği ve yatay hatayı ve yükün salınımını yaklaşık % 60 oranında azaltarak daha güvenli iniş imkânı oluşturduğu görülmektedir. Simülasyon sonuçları, sistem modelinin çok dalgalı deniz koşullarında dahi geçerli ve başarılı bir çözüm olduğunu göstermiştir.
  • Öge
    Gemi direnç ve sevk performanslarının GEOSIM yöntemi, deneysel ve hesaplamalı akışkan dinamiği ile analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-19) Delen, Cihad ; Bal, Şakir ; 508142009 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Prof. E. V. Telfer tarafından 1927 yılında ortaya atılan GEOSIM yönteminin temel uygulama alanı gemi direnci üzerinedir. Bunun için farklı ölçek değerlerine sahip geometrik olarak benzer modellerin Froude (Fr) benzerliği ile gerçekleştirilen direnç deneylerinden elde edilen toplam direnç katsayısının (CT) Reynolds (Re) sayısı ile olan ilişkisi C_T=a⁄〖〖(log〗⁡〖Re)〗〗^x +b eşitliği üzerinden belirlenir. Mevcut GEOSIM yönteminde x=1/3 kabul edilir ve en az iki farklı model deneyinden elde edilen CT değerleri kullanılarak a ve b değişkenleri hesaplanır. Ardından bu değişkenler ve ilgili geminin Re sayısı kullanılarak gemi ölçeğinde CT değeri elde edilir. GEOSIM yönteminin güvenilirliği ve doğruluğu, mevcut ITTC yöntemlerinden farklı olarak gemi direncini bileşenlerine ayırmadan incelediği ve uygulanma aşamasında kabulleri daha az olduğu için yüksektir. Fakat geometrik olarak benzer en az iki farklı model üretimi, testlerinin gerçekleştirilmesi ve verilerin işlenmesi aşamalarından dolayı bu yöntem zor ve pahalıdır. Ek olarak, model deneylerinde ortaya çıkan akış benzerliğinin sağlanamaması ve duvar etkileri gibi problemlerden dolayı bu yöntemin uygulanması kısıtlıdır. Fakat günümüzde artan hesaplama gücü ve gelişmiş çözüm yöntemleri sayesinde iki veya daha fazla sayıda farklı ölçeğe sahip modellerin hidrodinamik özelliklerinin sayısal olarak incelenmesi model deneylerine göre oldukça hızlı ve ekonomiktir. Ayrıca bu çalışmada yöntem daha hassas ve doğru sonuç verecek bir hale de uyarlanmıştır. Uyarlanmış GEOSIM yöntemi en az üç model deneyi sonucuna ihtiyaç duymaktadır. Deney sonuçları ise model deneyleriyle fiziksel olarak çekme tankında değil Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla sayısal çekme tankında gerçekleştirilen sayısal analizler neticesinde elde edilmektedir. Böylece model deneylerine göre daha ekonomik olup, zaman tasarrufu sağlamaktadır. Ardından, uyarlanmış GEOSIM yönteminin sadece gemi direnci üzerine değil, gemi formunun diğer özgün tasarım özellikleri ile Re sayısı arasındaki ilişkiyi gösterme amacıyla sistematik sayısal ve deneysel sonuçlar sunulmuştur. Böylelikle gemi ölçeği tahmininde, mevcut yöntemlere alternatif olarak GEOSIM yönteminin avantajları ve uygulanabilirliği gösterilmiştir. Bu amaç doğrultusunda akademik çalışmalarda sıklıkla kullanılan ve özellikleri itibariyle birbirinden farklı iki form tercih edilmiştir. Bu formlar tam takıntılı modern muharip bir gemi formu olan model 5613 olarak kodlanan Office of Naval Research Tumblehome (ONRT) ve modern bir Konteyner gemisi olan KRISO Konteyner Gemisi (KCS)'dir. Tam takıntılı ONRT formunun sayısal ve deneysel incelemeleri dizayn Fr sayısı olan 0.30'da gerçekleştirilmiştir. GEOSIM model ailesi üyelerinin ölçekleri, literatürde sonuçları olan λM1=48.9 ve bu çalışma için türetilen diğer ölçekler ise λM2=32.60 ve λM3=24.45 olarak seçilmiştir. GEOSIM model ailesi ve tam ölçek gemi için direnç, sevk analizleri sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Dümen takıntılı olan KCS formunun hidrodinamik incelemesi ise dizayn Fr sayısı olan 0.26'da sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. KCS formunun GEOSIM model ailesinin üyeleri literatürde deneysel çalışmaları yapılan ölçekler tercih edilmiştir. Ölçek oranları sırasıyla λM1=60.75, λM2=37.89 ve λM3=31.60 olarak seçilmiştir. Her iki formun hem model ölçeklerinde hem de tam ölçekte direnç ve sevk incelemesi sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Hem KCS hem de ONRT formlarının GEOSIM yönteminin ihtiyaç duyduğu üç model deneyi sonuçları kullanılarak tam ölçek formlarına ait sonuçlar uyarlanmış GEOSIM yöntemi ile tahmin edilmiştir. Her bir formun model değerleri ITTC prosedürleri ile ayrı ayrı tam ölçek sonuçları tahmin edilmiştir. Son olarak GEOSIM ve ITTC yöntemlerinden elde edilen sonuçlar tam ölçekte gerçekleştirilen HAD analizi ile karşılaştırılmıştır. İTÜ Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarında ONRT formunun temel hidrodinamik özelliklerinin belirlenmesi için deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. ONRT formunun takıntısız formundan başlayarak her bir takıntı eklenerek direnç üzerinde takıntı etkisi incelenmiştir. Fr=0.20'de toplam direncin %79.21'ini takıntısız gövde, %7.10'unu dümenler, %8.78'ini şaftlar ve braketler, 4.91'ini ise yalpa omurgası oluşturmaktadır. Fr=0.30'da ise toplam direncin %81.27'ini takıntısız gövde, %4.30'unu dümenler, %10.09'unu şaftlar ve braketler, 4.34'ünü ise yalpa omurgalarından oluşturmaktadır. Nihai inceleme koşulu olan takıntılı ONRT formunun tekrarlı testleri neticesinde belirsizlik analiziyle birlikte toplam direnci Fr=0.20'de (RT) 4.615 ± %1.098 N, Fr=0.30'da ise RT değeri 11.121 ± %0.636 N olarak ölçülmüştür. ONRT modelinin İTÜ – AN'de ve IOWA – IIHR'de farklı zamanlarda farklı ölçüm sistemleriyle gerçekleştirilen direnç deneylerinin sonuçlarının kıyaslandığında ise Fr=0.20'de bağıl fark değeri %0.96 iken, Fr=0.30'da bağıl fark değeri -%0.34'tür. Takıntılı ONRT modelinin beş Fr sayısı için iki farklı boyuna düzlemden (y=0.49 m (y/LWL=0.1557) ve y=1.14 m (y/LWL =0.3623)) dalga yükseklikleri deneysel olarak ölçülmüştür. Bu çalışma ile ONRT'nin deneysel olarak ilk defa dalga yükseklikleri ölçülerek literatüre kazandırılmıştır. ONRT formunun İTÜ-AN'de pervane diskine gelen akış kalitesini ve özelliklerini incelemek için bilgisayar kontrollü bir pitot tüpü ile nominal iz ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Fr=0.20 için nominal iz katsayısı (wn) 0.919 olarak hesaplanırken, Fr=0.30 için wn değeri hafif bir artışla 0.934 olarak hesaplanmıştır. ONRT gövde formunun tekrarlı sevk testleri sonucunda Fr=0.20 için ONRT formunun sevk noktası 9.007 1/s, Fr=0.30 için ONRT formunun sevk noktası 14.103 1/s olarak ölçülmüştür. Fr=0.20'deki sevk noktası (n) değeri IIHR'in sevk noktası sonucundan %0.41 farklıyken, Fr=0.30'daki sevk noktası ise %2.90 farklıdır. Laboratuvarlar arası karşılaştırma sonucunda deneylerin tekrar üretilebilirliğinin yüksek olduğu ve elde edilen sonuçların literatürle uyumlu olduğu görülmüştür. Dümen takıntılı KCS formunun GEOSIM yöntemi ile elde edilen tam ölçek CTS değeri tam ölçek HAD analizi sonucundan %0.53 farklı olarak tahmin edilmiştir. GEOSIM model ailesinin her bir modeli tekil olarak ITTC prosedürleri uygulanarak tam ölçeğe ekstrapole edildiğinde ise CTS değerleri tam ölçek HAD sonucu ile yaklaşık %4.7-%5.0 farklı olarak tahmin edilmiştir. Tam takıntılı ONRT formunun GEOSIM model ailesinin sonuçlarından yola çıkarak tahmin edilen tam ölçek ONRT'nin CTS değeri GEOSIM yöntemiyle tam ölçek HAD analizi sonucundan %0.68 farklı tahmin edilmiştir. ONRT'nin GEOSIM modellerinin sonuçları tekil olarak tam ölçeğe ITTC prosedürleri ile aktarıldığında ise %-2.65 ile %-3.79 arası farkla tahmin edilmiştir. GEOSIM yönteminin, konvansiyonel ITTC yöntemine göre tam ölçek formun direnç karakteristiklerini belirlemede bariz üstünlüğü sayısal olarak gösterilmiştir. Model ailesinin anahtar parametresi ile Re sayısı arasındaki ilişkisiyi inceleyen GEOSIM yönteminde bu sefer anahtar parametre nominal iz karakteristiği (wn) seçilmiş ve GEOSIM yönteminin kabiliyeti incelenmiştir. Nominal iz, pervane hareketi veya pervane varlığı olmadan pervane düzlemine gelen akım olarak ifade edilir. GEOSIM model ailesinin ve tam ölçek KCS'nin x/LBP=0.9825'ine pervane çapı büyüklüğünde bir zahiri disk yerleştirilmiş ve eksenel hızlar sayısal olarak ölçülmüştür. GEOSIM yöntemi model ailesinin sonuçlarından yola çıkarak tam ölçekli KCS formunun nominal iz katsayısını tam ölçek HAD sonucuna %0.53 farkla tahmin etmiştir. Benzer inceleme bu sefer tam takıntılı ONRT formu için gerçekleştirilmiştir. GEOSIM model ailesi ve tam ölçek ONRT'nin pervane merkezi olan x/LWL=0.9267, y/LWL=±0.02661 ve z/LWL=-0.03565 ilgili formun pervane çapı kadar olan bir alanda nominal iz özellikleri sayısal olarak ölçülmüştür. GEOSIM yöntemi ile ONRT formunun nominal iz özelliklerini ise tam ölçek HAD sonucuna kıyasla %0.71 farkla tahmin etmiştir. GEOSIM yönteminin hem takıntısız hem de takıntılı form incelemelerin de başarılı sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Bu çalışma ile nominal iz özellikleri üzerindeki ölçek etkisi nicelik olarak sunulmuş ve modelden gemiye nasıl değiştiği başarılı bir şekilde gösterilmiştir. GEOSIM yönteminin temel gemi hidrodinamiği konularında/problemlerinde uygulanabilirliğinin araştırılmasına bu kısımda gemi-pervane uyumunu gösteren gemi efektif iz özelliklerinin (wT) tahmini incelenmiştir. Dümen takıntılı KCS formunun direnç karakteristiklerinin tahmininde kullanılan model ailesi ve tam ölçeği bu sefer KP505 pervanesiyle donatılıp sevk özellikleri HAD yöntemiyle belirlenmiştir. KCS formunun sayısal olarak hesaplanan tam ölçek wT değeri, GEOSIM yöntemiyle %2.42 bağıl farkla tahmin edilirken 1978 ITTC yöntemine göre ise %11.00 ile %25.00 arası bağıl farklarla tahmin edilmiştir. GEOSIM yönteminde viskoz etkilerin sonuçlar üzerindeki etkisini 1978 ITTC yöntemine göre daha başarılı bir şekilde incelediği ortaya konmuştur. Çalışmanın son uygulaması ise GEOSIM yönteminin gemi performans karakteristikleri üzerinde davranışının detaylı olarak incelenmesidir. Bu amaçla direnç karakteristiklerinin tahmininde kullanılan GEOSIM model ailesi ve tam ölçek ONRT pervanesi ile donatılmış ve sevk testleri sayısal olarak Fr=0.30 için icra edilmiştir. Serbest çalışma koşulunda (free-running) itme kuvveti formun direnç kuvveti ile dengelendiği yerdeki sevk karakteristikleri (devir, itme ve moment) sayısal olarak ölçülmüştür. Ayrıca tam ölçek ONRT'nin sevk performansının 1978 ITTC prosedürü ile tahmini için sevk analizleri model deneylerine benzer olarak yüzey sürtünme düzeltmesi (FD kuvveti) de hesaplamalara dahil ederek tekrarlanmıştır. Sonuçlarda ise hem GEOSIM yöntemi hem de 1978 ITTC yöntemi, tam ölçek ONRT'nin istenen hızda sevk etmesi için gereken pervane devir hızını (nS) başarıyla tahmin etmiştir. Tam ölçek ONRT'nin KTS değerini GEOSIM yöntemi %0.50 farkla tahmin ederken, 1978 ITTC yöntemleri ise %3.00 civarı bir farkla tahmin etmiştir. Tam ölçek ONRT'nin KQS değerini GEOSIM yöntemi ile %0.80 farkla tahmin ederken, 1978 ITTC yöntemi %20.00 civarı büyük bir farkla tahmin etmiştir. Telfer'in GEOSIM yöntemi, bir geminin itme özelliklerini tahmin etmek için 1978 ITTC yöntemiyle benzer kesinliğe sahip olsa da moment özelliklerini tahmin etmede ITTC yöntemine göre daha güvenilir ve doğru sonuçlar sağladığı görülmüştür. GEOSIM yöntemi uygulaması sadece çıkış noktası olan gemi direnci konusunda değil aynı zamanda diğer gemi hidrodinamiği konularında (İz, sevk vs.) da uygulanabilirliği bu çalışma sayesinde gösterilmiştir. Böylece hem mevcut yöntemlere göre daha az kabulleri olan bir yöntemin genel uygulanabilirliği, sınırları gösterilmiş ve mevcut yöntemlere alternatif olarak sunulmuştur. Artık bu çalışma sayesinde HAD tabanlı uyarlanmış GEOSIM yönteminin deney ihtiyacını azalttığı ve mevcut yönteme alternatif olarak kullanabileceği gösterilmiştir.
  • Öge
    Deniz tipi karbon tutum sistemlerinin incelenmesi
    (Graduate School, 2025-04-10) Güler, Engin ; Ergin, Selma ; 508202001 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yönelik ilgi ve alınan önlemler her geçen yıl dünya çapında daha yüksek seviyelere ulaşmaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO), 2008 yılından bu yana çalışmalarını önemli ölçüde hızlandırmış ve uluslararası deniz taşımacılığından kaynaklanan karbondioksit (CO2) emisyonlarını azaltmak için bir dizi kural ve düzenleme uygulamaktadır. Bu tez çalışması, kara tesislerinde %90 seviyelerine varan CO2 azaltma potansiyeline sahip karbon tutum ve depolama sistemlerinin (CCS) denizcilik endüstrisinde CO2 emisyonlarını azaltmak için kullanımını incelemektedir. CCS sistemlerinin CO2 emisyonlarını azaltmadaki üstünlüğüne rağmen bazı dezavantajları bulunmaktadır. Çalışmanın amacı, sistemin en büyük dezavantajları olan sistem maliyetlerinin azaltılması, CO2'yi ayırmak için gereken enerji miktarının ve güç kaybının azaltılması ve sistemin fizibilitesinin artırılmasıdır. Bu çalışma kapsamında, farklı sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) taşıyıcı gemi tipleri için soğutma, ısıtma ve güç sistemlerinin farklı entegrasyon seviyelerinde CCS sistemlerine entegre edilmesinin termoekonomik analizini araştırmaktadır. Bu amaçla, ana güç, konvansiyonel atık ısı geri kazanımı (WHR), buharlaşan doğal gazı (BO-NG) sıvılaştırma, CO2 yakalama, CO2 sıvılaştırma ve organik Rankine çevrimi (ORC) sistemleri Aspen HYSYS programı ile modellenmiş ve simüle edilmiştir. Termoekonomik analizler, çalışmada kullanılan gemilerin referans sistemlerinin, incelenen farklı entegrasyon seviyelerindeki soğutma, ısıtma ve yardımcı güç sistemlerinin CCS sistemleri ile değiştirilmesi sonucunda ortaya çıkan maliyet artışı ve CO2 emisyonundaki azalma değerleri baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Termoekonomik analiz sonuçları genetik algoritma yöntemi ile optimize edilmiştir. Belirtilen çalışmalara ek olarak LNG taşıyıcıları için yakıt olarak reforme edilmiş NG kullanan yenilikçi bir katı oksit yakıt pili (SOFC)-içten yanmalı makine (ICE)-CCS entegre sistemi önerilmektedir. Entegre sistemlerin termodinamik modelleri yine Aspen HYSYS programı ile simüle edilmiş ve enerji, ekserji, ekonomi ve çevre (4E) analizleri gerçekleştirilmiştir. SOFC ayrıca elektrokimyasal olarak modellenmiş ve SOFC çalışma sıcaklığı, akım yoğunluğu ve bozunmaya bağlı çalışma süresinin etkileri araştırılmıştır. 4E analiz sonuçlarına göre en uygun yakıt pili çalışma sıcaklığı, akım yoğunluğu ve çalışma süresi parametreleri belirlenmiş ve akım yoğunluğu değişimine bağlı olarak yakıt pilindeki kayıpların etkisi incelenmiştir. Önerilen sisteme alternatif olarak SOFC-ICE-buhar türbini (ST) entegrasyonlu H2 yakıtlı başka bir sistem modellenmiş ve bu iki sistem ile halihazırda gemilerde bulunan güç sistemlerinin 4E analizleri yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada ayrıca, CCS sisteminin performansının, değişen ana makine yüklerinde bir geminin yaşam döngüsü boyunca emisyonları ve maliyetleri nasıl etkilediği incelenmiştir. Bu bulgulara dayanarak, tasarım geliştirmeleri ve modifikasyonları yapılmaktadır. Amaç, denizcilik sektöründe CCS sistemlerinin uygulanmasına ilişkin kapsamlı bir genel bakış sağlamaktır. Bu nedenle, farklı boyutlardaki tanker, konteyner, kuru yük, LNG taşıyıcı, ro-ro, ro-pax, soğutuculu gemi, genel kargo ve off-shore destek (OSV) gemilerinin çalışma profillerini hesaplamak için istatistiksel veriler kullanılmıştır. Ana makineler, literatürden belirlenen farklı gemi tiplerinin güç ihtiyaçlarına uygun olarak seçilmiştir. Gemilerin güç sistemlerinin termodinamik modellemesi, motor üreticisi parametreleri ile gerçekleştirilmiştir. Termodinamik modelleme aynı zamanda geminin CO2 sıvılaştırma ve karbon yakalama sistemlerini simüle etmek için de kullanılmıştır. Son olarak, Kamsarmax tipi bir dökme yük gemisi için CCS sisteminin tasarımında maksimum normalleştirilmiş motor yükü seçiminin emisyonlar ve maliyet üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Uygun varsayımlar kullanılarak CCS sisteminin tekno-ekonomik analizleri farklı gemi tipleri için gerçekleştirilmiştir. Son olarak gemilerin CCS sisteminde iyonik sıvıların çözücü olarak kullanılması konusunda deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmada çözücü olarak iyonik sıvıların kullanıldığı yenilikçi bir gemi CCS sistemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Deney kapsamında CO2 tutumu için yenilikçi iyonik sıvılar sentezlenmiş, karakterize edilmiş, gemi baca gazına uygun koşullarda CO2 çözme etkinlikleri ve çeşitli termodinamik özelikleri deneysel olarak belirlenmiştir ve literatürde özellikleri iyi bilinen monoetanolamin sıvısı ile karşılaştırılmıştır. Üstün özelliklere sahip olduğu tespit edilen bir iyonik sıvı (IL) için CCS sisteminde kullanılması durumunda oluşan avantaj ve dezavantajlar incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda CCS sisteminin kullanılmasının, LNG taşıyıcıları için Avrupa birliği karbon vergisini ödemekten daha uygun maliyetli olduğu ve denizcilik endüstrisi adına CO2 emisyonlarını azaltmak için umut verici bir çözüm olabileceği gösterilmiştir. Toplam yaşam döngüsü maliyeti (LCC), BO-NG ve CO2 sıvılaştırma çevrimlerinin entegre edilmesiyle azaltılabilir. Ana makinelerde yakıt olarak soğutma potansiyeli yüksek olan LNG'nin kullanılması, bu entegrasyonda toplam LCC azaltmak için en iyi çözümdür. Optimizasyon sonuçları, BO-NG'nin sıvılaştırılması için çalışma basıncı seçiminin çok kritik olduğunu göstermektedir. Optimum CO2 depolama basıncı, CO2'nin sadece soğuk LNG ile soğutulduğu en düşük basınçtır. Bir başka sonuç olarak, ORC'nin sistemlere entegrasyonu, başlangıç maliyeti ve bazı durumlarda nispeten düşük verimi nedeniyle sistemin toplam LCC'sini artırmaktadır. Ayrıca, ORC entegrasyonunun CCS sisteminin ekserji kaybını kısmen tolere edebilmektedir. Entegre sistemin toplam ekserji verimi %64,5'tir. Egzoz gazı ve deniz suyu ile çevreye aktarılan ekserji oldukça az iken, ekserji yıkımı önemli düzeydedir. Toplam ekserji yıkımının %59,9'unu ana güç sisteminin, %28,3'ünü ORC ve karbon yakalama sistemlerinin, %11,9'unu ise CO2 ve BO-NG sıvılaştırma sistemlerinin oluşturduğu tespit edilmiştir. Çok yüksek ekserji yıkımına rağmen, ana makine tasarımını sınırlayan parametreler nedeniyle ana güç sisteminden kaynaklanan ekserji yıkımını azaltma potansiyelinin düşük olduğu değerlendirilmektedir. ORC ve karbon yakalama sistemlerindeki ısı değiştiricilerin (HEX) ekserji kaybı 8,45 MW'tır ve HEX'lerin ekserji verimi nispeten düşüktür, bu nedenle ekserji yıkımını azaltma potansiyeli yüksektir. Önceki sonuçlarla birlikte, ORC ve karbon yakalama sistemlerinin ısıl tasarımındaki iyileştirmeler, incelenen entegre sistemin ekserji kaybını büyük ölçüde azaltacaktır. LNG taşıyıcı gemilerde SOFC kullanımı incelendiğinde reforme edilmiş yakıtlı SOFC veriminin H2 yakıtlı SOFC'ye göre en az %20,6 daha düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Kayıp mekanizmaları incelendiğinde, farkın büyük ölçüde parazitik kayıplar ve elde edilen Nernst potansiyeli ile ilgili olduğu görülmektedir. Bozunma etkisi nedeniyle SOFC çalışma süresi arttıkça CO2 azaltma oranı, enerji ve ekserji verimleri zamanla azalmaktadır. Maliyeti en aza indiren SOFC çalışma süresi, seçilen koşullara bağlı olarak yaklaşık 35,000 saat olarak hesaplanmıştır. Önerilen SOFCICE- CCS entegrasyonu alternatif SOFC-ICE-ST entegrasyonu ile karşılaştırıldığında 35,000 saatlik SOFC ömründe sistemlerin ortalama toplam enerji verimleri sırasıyla %44,1 ve %57,5, CO2 azaltım oranları ise %76,1 ve %96,9 olarak hesaplanmıştır. Düşük verimine rağmen CCS-SOFC-ICE entegrasyonu, CCS-ICE entegrasyonuna kıyasla sadece atık ısıyla iki kattan daha fazla CO2 yakalayabilmiştir. SOFC-ICE-CCS entegrasyonunda tutucu ve sıyırıcı kolonlar ICE-CCS entegrasyonuna kıyasla oldukça küçüktür. Boyutların küçültülmesi, ağırlık kaybını azaltacağı, geminin yerleşimini kolaylaştıracağı ve stabiliteyi artıracağı için önemlidir. Önerilen sistemlerin ekserji akışı ve yıkımı incelendiğinde, SOFC sistemindeki ekserji kaybının, özellikle reforme edilmiş yakıt kullanımı ve atık ısı potansiyelinden daha az yararlanılması nedeniyle alternatif sisteme kıyasla düşük olduğu görülmektedir. Önerilen sistemin maliyetini en aza indiren koşulların sıcaklık için yaklaşık 900°C ve akım yoğunluğu için 2,5 kA/m2 olduğu bulunmuştur. Bu koşullar altında CO2 azaltım maliyeti yaklaşık 711,1 $/ton olarak hesaplanırken, alternatif SOFC-ICE-ST sistem entegrasyonunda aynı koşullar altında maliyet 1310 $/ton olarak hesaplanmıştır. İncelenen sistemlerin maliyet bileşenleri analiz edildiğinde, her iki sistemin de ilk yatırım maliyetinin işletme maliyetinden çok daha büyük olduğu, SOFC-ICE-CCS sistemi için maliyetin çoğunun SOFC'den, SOFC-ICE-ST sistemi için ise H2 depolama tankından kaynaklandığı görülmüştür. Yüksek özgül yakıt tüketimi makine veriminin düşük olduğunu gösterse de egzoz sıcaklığını artırdığı için yüksek bir atık ısı potansiyeline neden olur. Böylece CO2 rejenerasyonu artar. Buna göre CCS sisteminin düşük verimli makineye sahip bir gemiye uygulanması daha avantajlı olacaktır. Ana makineleri aynı olmasına rağmen, küçük bir tankerin CCS sistemi, küçük bir dökme yük gemisinden %32,2 daha fazla CO2 yakalamıştır. Bu durum gemilerin operasyonel profili ile ilgilidir. CO2'nin rejenerasyonunda sadece atık ısı kullanılırsa, tüm gemi tiplerinde en az %30'luk bir yakalama oranı elde edilir. Yüksek özgül yakıt tüketimine sahip makinelere sahip gemiler için bu oran %55'i aşabilir. Tankerler ve dökme yük gemileri için gemilerin kargo kapasitesi arttığında, navlun kaybı maliyeti büyük ölçüde düşmekte ve önemini yitirmektedir. Konteynerler, soğutuculu gemiler ve küçük gemi tipleri için günlük kiralama ücreti kargo kapasitesine kıyasla büyüktür ve navlun kaybı maliyeti oldukça yüksektir. Ekstra yakıt maliyeti LNG taşıyıcıları hariç tüm gemi tiplerinde neredeyse aynıdır. CCS sisteminin ihtiyaç duyduğu güç hemen hemen tüm gemilerde ana makine tarafından sağlanan gücün %2,5'i kadardır. LNG taşıyıcılarında CO2'yi soğutmak için soğuk LNG kullanıldığından soğutma çevrimi güç tüketimi ve ilk yatırım maliyeti düşüktür. Buna ek olarak, LNG ile çalışan makinelerin özgül yakıt tüketimi önemli ölçüde daha düşüktür ve yakıt daha ucuzdur. Böylece, LNG taşıyıcılarında birim CO2 kütlesi başına maliyet %40,3-54,2 oranında azalmaktadır. Kamsarmax tipi bir dökme yük gemisi için %75 MCR normalleştirilmiş maksimum yüke göre yapılan tasarımda, CCS sisteminin LCC'si %55'lik MCR'ye göre yapılan tasarımdan %17,9, yakalanan CO2 miktarı %10,3 daha düşüktür. İyonik sıvıların gemilerdeki CCS sisteminde kullanılması ile ilgili deneysel çalışma sonuçları iki adet sıvı için elde edilmiştir. 1,1,3,3-Tetrametilguanidin imidazolyum sıvısı ağırlıkça %30 MEA içeren sulu çözeltiye kıyasla ilk 10 dakikalık kısımda 2 kattan daha fazla CO2 çözmüştür. İncelenen IL'nin Q-Flex tipi LNG taşıyıcısı için CCS sisteminde kullanılması tutulan CO2 oranını %39,9'dan %90'a çıkarmış, maliyeti %26,9 azaltmıştır.
  • Öge
    Jenerik denizaltı geometrisinin katsayı tabanlı manevrakarakteristiklerinin had ve analitik çözüm yöntemleri ile analizi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-07-11) Kırıkbaş, Oğuzhan ; Bal, Şakir ; 508162012 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Bu çalışma kapsamında bir sualtı aracının dalmış durumda altı serbestlik dereceli manevrasının katsayı tabanlı bir manevra modeli kullanılarak analiz edilebilmesi için gerekli olan tüm hidrodinamik katsayıların tek bir kontrol hacmi ve hesaplama ağı kullanılarak hesaplanması amaçlanmıştır. Kullanılan ağ yapısı altıyüzlü hücrelerden oluşan bir arka plan ağı ve denizaltıyı da içeren küre şekilli bir overset ağ bölgesinden oluşmaktadır. Hidrodinamik katsayı türlerinin bir kısmı denizaltının dinamik hareketlerinin analiz edilmesini gerektirirken, diğer bir kısmı ise analizin ön işlem safhasında aracın oryantasyonunun değiştirilmesini gerektirir. Bu hali ile manevra katsayılarının HAD ile hesaplanması için zamana bağlı analizlere olduğu kadar, zamandan bağımsız analizlere de ihtiyaç duyulduğu söylenebilir. Bir diğer katsayı kategorisi ise dönme hareketine bağlı katsayılardır. HAD ortamında bu katsayılar dönme hareketinin zamana bağlı olarak simüle edilmesi yolu ile hesaplanabilirler. Bir diğer hesaplama yöntemi ise akışı kontrol eden denklemlerin Coriolis ve merkezkaç (santrifüj) kuvvetlerini içerecek şekilde değiştirilmesi yolu ile yapılan zamandan bağımsız analizlerdir. Bu çalışmanın hedeflerinden birisinin hesaplama kaynaklarının etkin kullanımı olduğu göz önüne alındığında çalışma kapsamında ikinci yöntem tercih edilmiştir. Buna göre doğrusal hız değişimlerinin kuvvet ve momentler üzerindeki doğrusal ve doğrusal olmayan etkilerini temsil eden sönümleme katsayıları hesaplama ağının küresel overset bölgesinin analiz öncesi akışa kıyasla oryantasyonu değiştirilerek zamandan bağımsız olarak hesaplanmıştır. Yatay ve düşey düzlemde ayrı ayrı yapılan bu analizlerin sonuçlarından türetilen doğrusal ve doğrusal olmayan katsayıların deney sonuçları ile ileri seviyede uyumlu olduğu görülmüştür. Kontrol yüzeylerinin hareketleri ile ilişkili manevra katsayıları analiz edilen yüzeyin belirli bir açı aralığını kapsayacak şekilde çekme simülasyonları vasıtası ile yapılmıştır. Doğrusal ve doğrusal olmayan kontrol yüzeyi katsayıları için HAD ile elde edilen sonuçların deney sonuçları ile tutarlı olduğu görülmüştür. Açısal hız değişiminin kuvvet ve momentler üzerindeki doğrusal ve doğrusal olmayan etkileri ile açısal-doğrusal hız etkileşimlerinin benzer etkilerini temsil eden dönme hareketine bağlı katsayılar küresel overset bölgesini de içine alan daha ve L model boyu olmak üzere 2L yarıçapındaki bir ağ bölgesinde akışı kontrol eden denklemlere dönme hareketinin merkezine göre modifiye edilmiş Coriolis ve satrifüj kuvvetler ilave edilerek ve zamandan bağımsız olarak hesaplanmıştır. Bu yaklaşım Hareketsiz (Donmuş) Rotor (frozen rotor) veya Çoklu Referans Eksen Takımı (Multiple Reference Frame-MRF) olarak bilinir ve turbo makinelere ilişkin analizlerde sıklıkla kullanılır. MRF yaklaşımının dairesel kesitli olmayan bir kontrol hacminde kullanılabilmesi için analizlerde dönme hareketinin merkezi kontrol hacminin merkezinden araç üzerinde bir noktaya taşınmıştır. Söz konusu bu değişikliğin akışa olan etkileri matematiksel olarak ifade edildikten sonra akışı kontrol eden denklemlerdeki kaynak terimi (Coriolis ve santrifüj etkiler) hesaplanan kaynak terimi ile değiştirilmiştir. OpenFOAM yazılımı özelinde söz konusu bu işlem yazılımın açık kaynak mimarisinden istifade edilerek kullanılan çözücünün kaynak kodlarının değiştirilmesi ile kolayca yapılabilmiştir. MRF yaklaşımı cismin hareketinin doğrudan modellenmesi yerine bu hareketin etkilerinin akışı kontrol eden denklemlere ilave kaynak terimleri ile dahil edilmesi varsayımına dayandığından bu varsayımın doğası gereği bir miktar hata içermektedir. Bu hatanın ve dönme merkezinin taşınmasından kaynaklanan hatanın etkileri analiz sonuçlarından görülebilmektedir. Kullanılan yöntem rotasyonel hareketten kaynaklanan kuvvet ve momentleri olduğundan büyük/küçük tahmin etse de kuvvet ve momentlerin dönme yarıçapına bağı değişim trendlerinin dolayısı ile bu analizlere ilişkin hidrodinamik katsayıların deneysel verilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Kuvvet ve momentlerin açısal/doğrusal hızlara bağlı değişim verisinden hidrodinamik katsayıların belirlenmesinde en küçük kareler yöntemi kullanılmıştır. HAD analizlerinin doğrulanması ise literatürde kabul gören büyüklüklere (Cp, Cf ve Cd gibi) ait HAD sonuçlarının yine literatürde mevcut deney sonuçları ile karşılaştırılması suretiyle yapılmıştır. Çekme tankı ve döner kol mekanizması simülasyonları aracın 3 m/s hız değeri için yapılmıştır. Doğrusal ve açısal ivmelenmeye bağlı katsayılar ise küresel overset ağ kısmının arka plan ağına göre salınımlı hareket ettirilmesi suretiyle zamana bağlı olarak icra edilmiştir. Bu kategorideki yalın dalıp çıkma, yalın yunuslama ve yalpa modlarında icra edilmiştir. Tüm analizler DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) Suboff AFF-8 konfigürasyonu üzerinde icra edilmiş ve DTRC (David Taylor Research Center) geliştirilmiş manevra modelindeki tüm katsayıların hesaplanabilmesi hedeflenmiştir. Söz konusu geometri deneysel ve hesaplamalı çalışmalar için bir forum niteliğinde olduğundan mevcut çalışmanın boyutunda HAD analizleri için gerekli deneysel karşılaştırma/doğrulama verisi yalnızca DARPA Suboff konfigürasyonları için erişilebilir seviyededir. Çalışmanın bahse değer bir diğer amacı da açık kaynak kodlu HAD yazılımlarının yüksek başarımlı hesaplama kabiliyetleri ile birlikte kullanılması ve böylece bu yazılımların etkinliklerinin sergilenerek akademik alanda kullanımlarının yaygınlaşmasına vesile olunmasıdır. Bu kapsamda tüm hesaplamalar OpenFOAM yazılımı kullanılarak İstanbul Teknik Üniversitesi Ulusal Hesaplama Merkezi (İ.T.Ü. UHeM) bünyesinde icra edilmiştir. Hesaplama ağları OpenFOAM yazılımının bir parçası olan ve düzgün altıyüzlü ağ oluşturma algoritması olan snappyHexMesh ile oluşturulmuştur. Bu ağ yapısında arka plan ağı 28L x17D x 17D boyutlarındadır. Küresel overset ağ bölgesi ise 1.2L yarıçapındadır. Kullanılan ağ toplamda yaklaşık 24 milyon hücreden oluşmaktadır. Hesaplamalarda kullanılan k-ω SST türbülans modelinin denizaltı yüzeyine komşu sınır tabaka bölgesi ağına ilişkin gereksinimleri karşılamak üzere boyutsuz duvar mesafesinin (y+) tüm hesaplama senaryoları için birden küçük olması sağlanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında hesaplanan katsayılar ve DTRC manevra modeli kullanılarak yatay ve düşey düzlemde ITTC tarafından önerilen belirleyici manevralar icra edilmiştir. Bu manevralardan bir kısmının kapalı form (analitik) çözümleri mevcuttur. Analitik çözüm yöntemleri temelde enerji ve momentumun korunumu gibi korunum yasalarına dayanan yöntemler olup ivmelenme-durma ve yatay-düşey düzlemde dönüş manevrası gibi manevralar için türetilmiştir. Hesaplanan katsayılar ile elde edilen analitik çözümler literatürde mevcut takip moddlu manevra analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın bu kısmı deney ikamesi olarak yapılmıştır. Böylece analitik çözüm yönteminin sayısal ortamda yapılan manevra simülasyonlarının geçerleme çalışmaları açısından önemi ortaya konmuştur. Bir sualtı aracına ait manevra katsayılarının HAD ortamında tek bir kontrol hacmi ve hesaplama ağı kullanılarak hesaplanabilirliği bu çalışma ile gösterilmiştir. Böylece bu alandaki genel geçer HAD uygulamalarının gereksinim duyduğu karmaşık ön işlem adımları sadeleştirilerek hesaplama kaynağı ve zamandan tasarruf sağlanabileceği gösterilmiştir. Çalışma sonuçlarının gerek hidrodinamik katsayılar özelinde gerekse de belirleyici manevra yörüngeleri özelinde literatür sonuçları ile tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Uygulamanın bir diğer avantajı ön işlem adımında insan girdisini azaltarak hataların önüne geçilmesine vesile olmasıdır.