Bir Su Üstü Savaş Gemisinin Dönme Performansının Urans Kullanılarak İncelenmesi

Abstract

Gemilerin manevra performanslarının belirlenmesi, karmaşık ve lineer olmayan doğası sebebiyle, gemi hidrodinamiği araştırmalarının zorlu konularından olmuştur. Bu sebeple yüzen bir cismin hidrodinamik performansının gerek nümerik gerekse deneysel olarak tahmin edilmesi büyük önem arz etmektedir. Genel olarak gemilerin manevra performansları; rota tutma veya değiştirme, manevra yapma ve hız değiştirme kabiliyetlerinin birleşiminden meydana gelmektedir. Rota değiştirme kabiliyeti özellikle savaş gemileri için önemli bir manevra karakteristiğidir. Dizayn aşamasında gemilerin manevra performanslarının tahmin edilebilmesi için pratik ve hızlı cevap verebilen bir çözüme duyulan ihtiyaç, CFD metodunun gemi manevra problemlerinde kullanılmasını teşvik etmiştir. Bu çalışmada bir su üstü savaş gemisinin dönme manevrası performansı URANS metodu ile incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, düzlemsel hareket mekanizması (PMM) yöntemi ile yapılan statik ve dinamik model deneylerinden, statik deneyler zamana bağlı olarak, ticari bir RANSE çözücü yazılım olan Star CCM+ ile gerçekleştirilmiştir. Tez, beş ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tezin amacı, kapsamı, manevra performans hesaplarında kullanılan metodların tarihsel gelişimi, ITTC MC’nin manevra metodlarını sınıflandırma şekli ve IMO manevra standartları verilmiştir. İkinci bölümde gemilerin manevra denklemleri ve gemiye etkiyen kuvvet ve momentlerin hesaplanması için kullanılan matematiksel model, doğrusal rota stabilitesinin hesaplanması ve hidrodinamik türevlerin fiziksel yorumu ve nasıl hesaplanacağı açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, hidrodinamik analizler için kullanılan URANS metodu, türbülans modelleri, ayrıklaştırma metodu ve çözüm metodolojisi verilmiştir. Dördüncü bölümde CFD analiz sonuçları ve dönme manevrası simülasyonundan elde edilen dönme performans parametreleri literatürdeki sonuçlar ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Beşinci bölümde ise bu tez kapsamında kullanılan çözüm metodları ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş olup, gelecekte yapılacak çalışmalara hakkında bilgi verilmiştir. CFD analizlerinde akışın üç boyutlu, sıkıştırılamaz ve türbülanslı olduğu kabul edilmiş olup, serbest su yüzeyi etkisi VOF metodu ile hesaplara dahil edilmiştir. Ayrıklaştırma metodu olarak sonlu hacimler kullanılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışması, dört farklı ağ örgüsü kalitesi için yapılmıştır. Türbülans modelinin çözüme etkisi iki denklemli türbülans modelleri için araştırılmıştır. URANS ve Euler yaklaşımları bazı özel durumlar için incelenmiştir. Kuvvet ve momentler gibi sayısal sonuçlar, Abkowitz’in önerdiği matematik modele göre, hidrodinamik türevlerin hesaplanmasında kullanılmıştır. İvme ve açısal hıza bağlı hidrodinamik türevler literatürdeki sonuçlardan alınmıştır. Dümen terimleri “drift and rudder” simülasyon sonuçları kullanılarak hesaplanmıştır. Gemi modeli olarak, Amerikan Donanması’na ait DDG51 fırkateyninin 1/46.6 ölçekli ve L=3.048 boyundaki ve DTMB 5415 ile geometrik olarak benzer DTMB 5512 modeli kullanılmıştır. Nümerik analizler 19.507m x 14.630m x 6.401m boyutundaki sanal bir tankta, model hareketlerinin kısıtlandığı durum için gerçekleştirilmiştir. Gemi modeli, kinematik cisim şartını sağlatmak için kaymaz duvar sınır koşulu ile tanımlanmıştır. Hesaplama hacminin ön, üst ve dip yüzeylerine, akışkanın hesaplama hacmine giriş yaptığı yüzeyler olacak şekilde sınır koşulu tanımlanmıştır. Yan yüzeyler için simetri düzlemi sınır şartı atanmıştır ve arka yüzey akışkanın hesaplama hacmini terk ettiği çıkış yüzeyi olarak belirlenmiştir. Serbest su yüzeyi dalgaları gemi modelinin su çekimi yüksekliğinde sakin su şeklinde tanımlanmıştır. Serbest su yüzeyi dalgaların belli bir enine mesafe sonrasında sönümlendiği varsayılmıştır. Hesaplama hacmini oluşturan ağ örgüsü genel olarak hexahedral (altı yüzlü) yapıdadır. Model etrafında akışın daha düzensiz hale gelmesinden dolayı ağ yapısında iyileştirmeler yapılmıştır. Özellikle modelin baş kısmında bulunan sonardom çevresinde, yalpa omurgaları civarında ve kıç kısmında daha sık ağ örgüsü oluşturulmuştur. Benzer şekilde serbest su yüzeyi deformasyonlarını doğru hesaplayabilmek için sakin su hattı bölgesinde daha sık ağ örgüleri ile çalışılmıştır. Model yüzeyinden belli bir mesafeye kadar sınır tabaka tanımlanmış ve bu bölgede ağ yapısı sıklaştırılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışması neticesinde sonsuz küçüklükte ağ elemanları atılsa da nümerik çözümün belli bir değere yakınsadığı görülmüştür. Mevcut bilgisayar gücü de dikkate alınarak hesaplamalar için uygun ağ örgüsü tercih edilmiş ve bütün analizlerde bu ağ örgüsü kullanılmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği metoduyla elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Gemi etrafındaki akış; serbest su yüzeyi deformasyonları, hidrodinamik kuvvetler ve momentler açısından incelenmiştir. Bunlara ek olarak türbülans kinetik enerjisi ve girdaplılık miktarı da normali x-yönünde olan ve gemi boyunca alınan düzlem kesitler üzerinde bazı özel durumlar için gözlenmiş ve ekte sunulmuştur. İki denklemli türbülans modelleri kullanılarak yapılan HAD analiz sonuçları tekneye etkiyen kuvvetler ve momentler baz alınarak karşılaştırılmıştır. Bu çalışma neticesinde, statik PMM simülasyonları için uygun olan türbülans modeli belirlenmiştir. Gemi boyunca oluşan dalga profilleri, boyuna kesitler alınarak çizdirilmiş ve literatürdeki deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Viskoz ve viskoz olmayan akım kabulü ile gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, serbest su yüzeyi deformasyonları ve hidrodinamik kuvvetler açısından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Beklendiği üzere viskoz olmayan durumdaki serbest su yüzeyi dalga genliklerinin, geminin kıç kısmında ve dümen suyu bölgesinde viskoz model sonuçlarına oranla daha yüksek olduğu görülmüştür. Özellikle yüksek hücum açılarında, viskoz olmayan çözümün sadece kıç bölgesinde değil gemi boyunca da sağlıklı olmayan sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Hidrodinamik analizler sonucunda tekneye etki eden kuvvet ve momentler hesaplanmıştır. Bunlar, matematik modelin önerdiği şekilde hidrodinamik türevlerin hesaplanmasında kullanılmıştır. Hidrodinamik türevler, deneysel veriler ve ampirik formüller ile karşılaştırılmış ve daha sonra bu çalışma kapsamında dönme manevrasını simüle etmek için geliştirilen DYNEQNOMS (Dynamic Equations of Motion Solver) bilgisayar programına girdi olarak kullanılmıştır. Geliştirilen bilgisayar programına girdi olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinden elde edilen hidrodinamik türevlerin yanı sıra dümen açısı değerleri ve gemiye ait bazı temel değerler de kullanılmıştır. Gemi manevralarının simüle edilebilmesi için iki ötelenme (surge, sway) ve bir dönme (yaw) hareketinden oluşan gemi manevra denklemleri, Euler metodu ile çözülmek üzere matris formuna getirilmiştir. Hareket denklemlerinde gemiye etkiyen kuvvet ve momentler Abkowitz’in önerdiği üçüncü mertebeden Taylor Serisi açılımı ile hesaplanmıştır. Elde edilen matris Gauss-Jordan Eliminasyon metodu yardımı ile her bir zaman adımında çözülmüş ve modele ait çizgisel ve açısal hız değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan her bir hız değeri bir sonraki zaman adımında kullanılmak üzere hareket denklemlerinde yerine yazılmıştır. Başlangıç koşulu olarak geminin belli bir hızda ileri doğru ötelenme (surge) hareketini yaptığı ve diğer hareketlere ait hız ve ivme değerlerinin sıfır olduğu kabul edilmiştir. Modele ait çizgisel ve açısal hız değerleri her bir zaman adımında bilindiğinden rotadan sapma açısı, kayma açısı, dönme dairesi çapı, modelin başlangıçtaki hareket doğrultusunda katettiği mesafe ve modelin başlangıçtaki hareket doğrultusuna dik (enine) yönde katettiği mesafe hesaplanmıştır. Hesaplanan bu değerlerden sabit dönme dairesi çapı, lineer model ve ampirik formüller ile kıyaslanmıştır. Modele ait taktik çapı da literatürdeki sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

The prediction of ship-maneuvering performance have been challenging topics in ship hydrodynamics research due to its non-linear and highly complex nature. The turning maneuvering performance of a surface combatant is investigated with URANS method in this study. Numerical simulations of static PMM (Planar Motion Mechanism) tests are performed toward this goal by using a commercial RANSE solver software Star CCM+ in an unsteady manner. The fluid flow is considered as 3-dimensional, incompressible and fully turbulent. The free surface effect has been taken into account by including volume of fluid (VOF) method. Grid independence study is performed for 4 different grid quality. The effect of turbulence model is investigated by using two-equation models. The URANS and Eulerian approaches are investigated for several cases. The computational results, e.g., forces, moments, are used to determine the hydrodynamic derivatives according to Abkowitz’s mathematical model. The acceleration and angular velocity derivatives are used as described in literature. The rudder terms are calculated from the results of “drift and rudder” simulations. The prefered ship model is DTMB 5512, which is a 1/46.6 scale of US Navy DDG51 frigate, with L=3.048 m and geosim of DTMB 5415. Numerical analyses are performed in a 19.507m x 14.630m x 6.401m virtual towing tank for fixed condition. Hull is identified as a non-slip wall in order to dictate kinematic boundary condition. Front, top and bottom faces of the computational domain are defined as velocity inlets. Side faces are assigned as symmetry-planes and the back face is defined as pressure outlet. VOF wave is defined at draft of the ship as calm water. Computational results are compared with the available experimental data. Turbulent kinetic energy and vorticity magnitude are observed on the plane sections normal to the x-direction for several cases. The results for two-equation turbulence models are examined and the suitable turbulence model for the presented study is selected. Wave profiles along the hull are plotted and compared with the EFD validation data. The viscous and inviscid flow results are compared with each other for several cases. Hydrodynamic derivatives are compared with the EFD results and empirical formulas and then are used as inputs to DYNEQNOMS (Dynamic Equations of Motion Solver), which is a custom developed computer program within the scope of this study to simulate ship turning maneuver. The turning maneuver performance parameters are compared with the literature.