Yelkenli Tekne Hidrodinamik Deneylerinde Ölçek Etkilerinin İncelenmesi

Abstract

Hidrodinamik model deneyleri gemi ve yat tasarımcıları tarafından, test edilen model ile geometrik olarak benzer büyük prototiplerin performansının tahmin edilmesi maksadıyla kullanılmaktadır. Bu deneylerin geçmişi yüz yıldan fazla olsa da, günümüzde hala deneylerden elde edilen verilen ?gerçek bilimsel sonuçlar? olmaktan çok ?mühendislik tahmini? olarak nitelendirilmektedir. Bu durum, birçok gemi ve deniz aracı tipi için mühendislik açıdan yeterli bulunmakta olup yelkenli tekneler için kabul edilmesi mümkün olamamaktadır. Yelkenli tekne performans tahmini hidrodinamik ve aerodinamik kuvvetlerin deneylerle hesaplanıp Hız Tahmin Programı (Velocity Prediction Program, VPP) vasıtasıyla dengelenmesi esasına dayanmaktadır. Bu alanda gerek VPP yazılımlarında gerek kuvvetlerin deneyler ile ölçülmesi yerine hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile hesaplanabilmesi gibi gelişmeler olsa da henüz deneylerin tamamen yerini alacak bir metod geliştirilebilmiş değildir. Yapılan hesaplamalı akışkan dinamiği analizleri akım hatları görüntüleme, birden çok modeli kısa zamanda karşılaştırmalı olarak deneme gibi avantajlar sunsa da henüz deneylerin yerini alabilecek güven telkin etmemektedirler. Bu şartlarda tasarımcıların deney sonuçlarına güvenebilmeleri ve doğru metodlarla model üzerinde ölçülen kuvvetleri tam ölçeğe ekstrapolasyonunu yapabilmeleri önem kazanmaktadır. Gemi direnci için Uluslararası Deney Havuzu Konferansı (International Towing Tank Conference, ITTC) gibi prosedürlerle yapılan direnç tahminleri ekstrapolasyon sırasında bırakılan büyük marjlarla makine seçimi ve dizayn hızının sağlanması için yeterli sonuçlar vermektedir. Fakat, aynı yöntemlerin hiçbir değişiklik olmadan yelkenli teknelere uygulanması performans tahmini açısından sıkıntılı sonuçlar doğurmaktadır. Performans tahmininde gereken hassasiyet, gemilerden farklı olarak salma ve fin gibi büyük takıntıların maruz kaldığı ölçek etkisi bu sıkıntıların başında gelmektedir. Yanal kuvvet, viskoz ve dalga direnci komponentlerinin model ve tam ölçek arasında nasıl farklılıklar gösterdiğinin analiz edilerek mevcut ekstrapolasyon yöntemlerinin irdelenerek yelkenli tekneleri uyarlanması gerekmektedir. Bu alandaki çalışmalar güncelliğini yitirmiş olup, modern tekne formları ve takıntılar gözönüne alınarak, son yıllardaki test tekniklerindeki gelişmeler ışığında ve mevcut son teknoloji hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımları yardımıyla yapılacak deneysel ve hesaplamalı bir çalışmanın ölçek etkilerinin anlaşılması konusuna fayda sağlayacağı öngörülmektedir. Yelkenli tekne hidrodinamik deneylerinde göz önüne alınması gereken önemli bir diğer nokta maliyet ve doğruluk dengesinin sağlanmasıdır. Deney ve ekstrapolasyon tekniklerindeki gelişmeler büyük model kullanımını zorunlu kıldığından (özellikle takıntı geliştirme için) oluşan maliyetler artmakta olup deney sürelerinde uzamalar meydana gelmektedir. Tekne ve takıntı geliştirme odaklı sistematik bir ölçek etkisi araştırma çalışmasının, tasarımcılar ve deney yapıcılar için ölçek, maliyet ve doğruluk arasındaki ilişkinin daha iyi anlaşılması ve beklentiler ile örtüşen bir test programının bütçe kısıtları doğrultusunda oluşturulabilmesi için faydalı olacağı görülmektedir. Çalışmanın başlangıç aşamasını yelkenli tekne deneylerinde kronolojik gelişmelerin araştırılması oluşturmaktadır. 1901 yılında Watson tarafından yapılan deneylerden bu yana, deney teknikleri ve ekstrapolasyon tekniklerinde elde edilen tüm gelişmeler bu kapsamda incelenmiş ve metodların zaman içerisindeki gelişimi irdelenmiştir. Geçen süre boyunca model üretimi, kalite kontrol, deney ekipmanları, deney teknikleri, ekstrapolasyon tekniklerinin belirli bir noktaya kadar ilerlediği görülmüş, fakat temel problemlerin genele uygulanabilir bilimsel bir metodoloji ile çözülememiş olduğu belirlenmiştir. Tekniklerdeki gelişmelere paralel olarak, tekne formları ve kullanılan takıntıların karakteristikleri de zaman içinde değişim göstermiştir. Özellikle Amerika Kupası yarışları için yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarına paralel olarak bu yeniliklerin ortaya çıktığı görülmektedir. Tekne ve takıntı karakteristiklerindeki değişiklikler dolayısıyla ölçek etkisi incelemeleri zaman içinde demode kalmakta ve özellikle yenilenen takıntılar için araştırmaların yenilenmesi gereksinimi doğabilmektedir. Deney programı güncel metotların eksiklikleri ve kullanılacak deney ortamının kapasite ve kabiliyetleri göz önüne alınarak oluşturulmuştur. Tüm deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşa ve Deniz Bilimleri Fakültesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuarı?nda bulunan büyük deney havuzunda yapılmıştır. 160 metre uzunluğundaki havuzda, testler esnasında 5 m/s hıza kadar çıkılabilmektedir. Deney havuzunda kuvvet ölçümleri için tek nokta bağlantılı 6 bileşenli dinamometre bulunmaktadır. Model ölçeğinde ulaşılması gerekilen hızlar, blokaj etkileri, tek noktadan bağlantılı ölçüm sistemi sınırlandırmaları ve havuzda yapılmış olan geçmiş deney tecrübeleri göz önüne alındığında test edilebilecek azami yelkenli tekne boyunun 4 metre mertebesinde olması gerektiği tespit edilmiştir. Deneylerde TP 52 tipi yelkenli tekne modelleri kullanılmasına karar verildiğinden (Loa=15.85 metre), test edilebilecek en büyük tekne modelinin 1/4 ölçekte 3.96 metre boyunda olmasına karar verilmiştir. Test edilecek en küçük modelin boyutuna karar verilirken geçmiş tecrübelerde kullanılmış olan en küçük model boyutunun altına inilmesi ve bu boyutlarda oluşan farklılıkların tespit edilmesi amaçlanmıştır. Sonuç olarak en küçük modelin 1/10 ölçekte 1.58 metre boyunda olmasına karar verilmiştir. Toplam 4 adet, ölçekleri 1/10, 1/8, 1/6 ve 1/4 olan TP 52 tipi yelkenli tekne modelleri test edilmiştir. Deneylerde direnç ve yanal kuvvet ölçümleri için 6 bileşenli dinamometre kullanılmıştır. Bu sistem, modellerin dalıp çıkma ve baş kıç vurma hareketlerine serbest kalmasına müsade etmektedir. Dalıp çıkma lineer yer değiştirme ölçeri, baş kıç vurma ise açı potansiyometresi yardımıyla deneyler esnasında ölçülmüştür. Deneylerin ana amacı ölçülen parametrelerin ölçek ile değişiminin incelenmesi olduğundan, direnç parametresinin toplam olarak ölçülmesinin istenilen analizlerin ve beklenen çıkarımların yapılabilmesi için yetersiz olabileceği öngörüldüğünden teknelerin dalga formlarının ölçülmesi ve ilgili dirençlerinin hesap edilmesine karar verilmiştir. Dalga formları, modellerin her iki tarafında üçer adet dalga probu yardımıyla deneyler esnasında ölçülmüş ve analizler için ?boyuna dalga kesi? metodu kullanılmıştır. Deneyler, meyilsiz durumda çıplak tekne ve takıntılı koşullarda, meyilli durumda ise sadece takıntılı koşulda yapılmıştır. Tüm deneyler tam yüklü ağırlık durumu için yapılmıştır. Çalışmada, deneylere elde edilen sonuçları tamamlayıcı olması maksadıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerine de yer verilmiştir. Yapılan hesaplamalı çalışmalarda, incelenen parametrelerdeki ölçeğe bağlı değişim eğilimlerinin deneylerde elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca, deneylerde incelenemeyen tam ölçek durumu için analizlere yer verilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda, Reynolds Averajlı Navier Stokes (Reynolds Averaged Navier Stokes, RANS) metodu kullanılmış olup meyilsiz durumda tekne ve takıntı direnç ve dalga profili değişimleri 1/8 ve 1/4 ölçekler için incelenmiştir. Meyilli durumda ise, meyil direnci ve taşıma kuvveti üretim verimlerinin ölçek ile değişimleri 1/8, 1/4 ve tam ölçek için incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda, yelkenli tekne modellerinin hidrodinamik deneylerinde maruz kalınan ölçek etkileri, TP 52 tipi bir tekne için tespit edilebilmiştir. Teknenin, meyilsiz durumda test edilen farklı ölçekteki modellerinin dalga direnci, dalga formu ve dinamik davranışlarındaki farklılıklar ortaya çıkartılmıştır. Özellikle takınıtlı koşulda, modeller arası farklılıkların olası sebepleri incelenmiş olup, mevcut ölçüm sistemi ile elde edilen veriler ışığında bu sebeplerin bir kısmının tespit edilmesi mümkün olmuştur. Yapılan analiz sonucunda, yelkenli tekne model deneylerinde ?özellikle yüksek süratlerde- maruz kalınan dinamik hareketler dolayısıyla oluşan ıslak alan değişiminin direnç ayırıştırma ve ekstrapolasyon sürecinde göz önüne alınması gerekliliği ortaya çıkarılmıştır. Yapılan meyilli durumdaki testlerde ise, yanal kuvvet ve indüklenmiş direnç üretimi eğiliminin ölçek ile değişimi ile ilgili farklılılar tespit edilmiştir. Deneysel olarak varlığı tespit edilen fakat kaynakları mevcut deneysel veriler ışığında tanımlanamayan ölçek etkilerinin belirlenebilmesi maksadıyla yapılan hesaplamalı çalışmalarda, özellikle takıntı dirençlerinin hesap edilmesi için kullanılan ampirik formülasyonların, yüksek süratlerde oluşan trime, takıntı-tekne arası ve takıntılar arası etkileşimlere hassas olmadığı ve bu sebeplerden dolayı direnç ayırıştırma ve ekstrapolasyon işlemlerinde hatalar oluştuğu tespit edilmiştir. Tamamlanan çalışma sonucunda, yelkenli tekne model deneylerinde direnç ayırıştırma ve ekstrapolasyon için kullanılan metodolojinin eksiklikleri, kullanılan ampirik formülasyonların yetersizlikleri anlaşılmış ve bu eksiklik ve yetersizliklerin giderilmesi için öneriler sunulmuştur. Meyilsiz ve meyilli durumdaki testler için ölçek belirleme sürecinde model ölçeği, doğruluk ve bütçe arasındaki ilişki tanımlanmış ve proje beklentileri göz önüne alınarak ölçek belirleme süreci için tavsiyeler verilmiştir. Yapılan çalışmada elde edilen sonuçların literatür ile örtüşmekte olduğu görülmüştür. Araştırma konusunun, geçen yıllar boyunca birçok araştırmacı tarafından irdelenmiş olmasına rağmen, konu özgün bir metodoloji ile deneysel ve hesaplamalı çalışmaları sistematik bir biçimde birleştirmek suretiyle ele alınmış ve sonuçların gelecekte yapılacak test çalışmaları için dikkate alınacak nitelikte olduğu tespit edilmiştir.

Towing tank experiments on geometrically similar models of a prototype have been used by naval architects to predict the performance of yachts to mitigate the risk of performance penalties. Although this technique has been utilized for over a century, the data obtained from the towing tank tests are still treated as ?engineering estimates? rather than ?exact scientific results?. This may be sufficient for an engineering approach for certain types of vessels, however it has never been acceptable in the case of sailing yacht testing. Performance of sailing yachts have been estimated by balancing hydrodynamic and aerodynamic forces and moments with the aid of a Velocity Prediction Programme (VPP). There have been major progresses in terms of VPP software development and estimation of forces with Computational Fluid Dynamics (CFD) methods, but no tool has managed to replace experiments upto now. CFD analyses are widely used for local flow investigation, flow visualisations, comparison of design alternatives in short time but sufficient confidence has not been gained to eliminate the need of experimentation. Under these circumstances, it is of vital importance for the yacht designers to solely rely on experiments and have confidence on the results so that the model results may be extrapolated to full scale with suitable tools. Procedures like ITTC recommendations, which are developed mainly for conventional ships, give reasonably accurate results in terms of powering with the large margins. Although they are suitable for ship powering purposes, they are not so suitable for sailing yacht testing owing to differences in expectations of accuracy and existance of scale effects experienced by the hull and the relatively larger appendages. Therefore, it is required to explore the trends in the variation of sideforce, viscous and wave resistances with scale and assess the suitability of the currently available extrapolation methods for sailing yacht experiments. It is worth noting that studies in the field are no longer up-to-date and contemporary experimental and numerical studies in the field are required which would make best use of currently available experimental methods and state-of-the-art CFD tools in order to have a better understanding of the scale effects experienced during tank testing of sailing yachts. Another vital consideration in towing tank testing campaigns of sailing yachts is the cost versus accuracy trade off issue. As the advancements in terms of testing and extrapolation techniques force experimenters to test large models ?especially for appendage development studies- leading to extreme budgets and towing tank run times. A systematic study of scale effects with emphasis on hull and appendage development studies would give a better understanding of cost versus scale trade off in this field. The study has been initiated with a broad survey on the literature in the field, going back to Watson?s tests in 1901. The efforts in improving the testing and extrapolation techniques associated with yacht testing since then has been analyzed. It?s been seen that the methods have improved over the years, certain assumptions were replaced with more accurate estimates, model manufacturing, measurement tools and testing tehniques were improved upto a certain extent. As the techniques were changing, the hull form and appendage considerations were also differing from era to era, neccesitating the renewal of the resarch in the field every now and then. Therefore, it has been decided to conduct the research on modern hull and appendage configurations. The testing program was developed with consideration of deficiencies of the current state of the art and the capabilities of the facility. All testing were performed at the large towing tank at Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory of Istanbul Technical University. As a single post dynamometer system was available for force measurement, the maximum model size was limited to 4 meters. The decision was made to test a TP52 type yacht, hence the maximum scale to be tested was 1/4 at a length of 3.96 meters. The smallest model scale was chosen to be unconventionally small in order to track the differences at a length of 1.58 meters corresponding to 1/10 scale. As a result, four models of a TP52 yacht has been tested, with scales 1/10, 1/8, 1/6 and 1/4. During the tests, resistance and side force were measured by the 6-component dynamometer. The system enabled the models to freely heave and trim, these were measured by the aid of a linear displacement transducer and a potentiometer respectively. As the main concern of the tests was to investigate the differences in the measured parametes with respect to scale, it was decided that total force measurement in terms of resistance would not be sufficient to draw the conclusions. Therefore, it was decided to measure the wave pattern of the models. The wave patterns were analyzed with the longitudinal wave cut technique, they were measured by the aid of three probes on each side of the tank. The tests were conducted in upright condition for naked and appended configurations. For the heeled cases, only appended models were tested. CFD analysis were also performed during the research. A Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) code has been used for the calculations. The main objective of the CFD analysis was to assess the similarity of the variation of trends in investigated paramaters compared to the experiments. In the upright condition, variation of hull and appendage resistance and wave profile were investigated at scales 1/8 and 1/4. In the heeled condition, variation of heel drag and lift generation efficiency (induced drag generation characteristics) were assessed at scales 1/8, 1/4 and full scale. The results of the study were found to agree with the available literature. Even though this topic has been the subject of research for many in the past, it has been reconsidered with a genuine methodology in a systematic manner with combining experiments and numerical methods and the results were found to be benefical for consideration in future testing campaigns.