ONR Tumblehome gemisi serbest yalpa sönümünün deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Gemi yalpası, yolcu ve mürettebat konforunu ciddi derecede etkileyen, kaptanların istemsiz olarak geminin seyir hızın düşürmelerine sebep olan ve gemilerin manevra hareketinde hesaba katılması gereken, denizcilik açısından en kritik gemi hareketlerinden biridir. Özellikle kuvvetli dalga ve rüzgâr gibi dış etkenlerin baskın olduğu şiddetli deniz durumlarında yalpa hareketi daha da önem kazanmaktadır. Bu kapsamda tez çalışmasının ana hedefleri; Zumwalt sınıfı muharip askeri gemi olan Office of Naval Research Tumblehome'un (ONRT) yalpa sönüm davranışını, yalpa açısı parametresine bağlı olarak serbest yalpa sönüm testi metodu ile deneysel ve hesaplamalı çalışma olarak incelenme kabiliyetinin ortaya konulması ve bu çalışmalar üzerinden yapılan yalpa sönüm katsayıları hesabının değerlendirilmesidir. Genelden özele doğru, yalpa hareketinin ve yalpa sönümünün, serbest yalpa sönüm testi ile incelendiği literatürdeki mevcut çalışmalara Bölüm 1'de yer verilmiştir. Ardından, gemilerdeki yalpa sönümü ile genel bir çerçeve çizilip, kullanılan materyal ve metotlar ile amaç ve kapsama detaylandırılmıştır. İlk bölümde yapılan genel bir girişin ardından, Bölüm 2'de, ilk olarak gemilerdeki sönümlü yalpa hareketi davranışının teorik altyapısı hakkında bilgi verilmiştir. Tez çalışmasının özne gemisi olarak belirlenen ONR Tumblehome gemisi tanıtıldıktan sonra deney izahatlarına geçilmiş ve öncelikle model deneylerinde kullanılan deney cihazlarının teknik özellikleri detaylandırılmıştır. Kısaca bahsetmek gerekirse, serbest yalpa sönüm testleri için oluşturulan deney düzeneğinde ilk olarak deney cihazlarının yerleşimi gerçekleştirilmiştir. Modelin x-ekseni etrafındaki rotatif hareketini ölçmek için eğim ölçer ve bu hareketten kaynaklı ivmelenmeleri ölçmek için ivme ölçer sensörler kullanılmıştır. Model gemi, İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi bünyesinde bulunan Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'ndaki çekme tankında model ölçeğine uygun deplasmana ulaşmak için ağırlık eklenmiştir. Deney düzeneği kurulumu tamamlandıktan sonra, suya indirilen model geminin ağırlık merkezi tayini için meyil testi gerçekleştirilerek ağırlıkların nihai konumu tespit edilmiştir. Deneysel çalışma için ön hazırlık süreci tamamlandıktan sonra serbest yalpa sönüm deneylerine başlanmıştır. Çalışmada, serbest yalpa sönüm testleri iki farklı ilk yalpa açısı koşulu için iki vaka olarak incelenmiştir. Test vakalarında, basit sarkaç hareketinin sınırı olan 10° ve bu basit hareketin etkisinden arınmak için 20°, ilk yalpa açıları olarak tercih edilmiştir. Vakalardaki ilk yalpa açısı farklı, deneyin kalan tüm koşulları aynıdır. Tüm deney süreci, dış etkenlerin en az seviyede olması için model deney havuzunun en derin olduğu ve yansıyan dalganın az olacağı bir konumda yürütülmüştür. Sakin su ve sıfır ileri hızda yapılan serbest yalpa sönüm deneyleri, üç kısma ayrılarak izah edilmiştir. İlk kısımda, 10°'lik başlangıç yalpa açısının serbest yalpa sönüm (SYS) deneyini kapsamaktadır. İlk yalpa açısı 10°'ye ulaşana kadar iskele bordasına meyil yaptırılan model gemi, o konumdan serbest bırakılarak serbest yalpa sönümü yaptırılmıştır. Model geminin yalpa açısı yaklaşık 0° olup, gemi dik konuma geldiğinde test sonlandırılmıştır. İkinci kısımda, 20° başlangıç koşulunda yapılan deneylerden bahsedilmiştir. İlk kısımdaki test prosedürü, 20° için uygulanarak testler gerçekleştirilmiştir. Üçüncü kısımda, simetri kontrol testi anlatılmıştır. Simetri testinde, z-ekseni etrafında 180° döndürülen model gemiye SYS testlerindeki prosedür iki vaka için sancak bordasından uygulanmıştır. Her iki vakada eğim ölçerden alınan yalpa açıları kullanılarak, vakalara ait yalpa genlikleri zaman bağlı olarak elde edilmiştir. Analitik denklem yardımıyla model gemiye ait yalpa hareketinin doğal periyodu 1.665 s olarak hesaplanmıştır. Model geminin iki farklı koşuldaki doğal yalpa periyotları ölçülmüş, analitik denklemden hesaplanan periyot ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda hesaplanan periyot ile 10°'deki ölçülen periyotlar arasında en fazla %0.54, 20°'dekiler ile en fazla %2.52 fark görülmüştür. Bu durum periyotlar açısından iyi bir uyum olduğunu göstermiştir. Deneyler sırasında iskele ve sancak bordalardaki ve boyuna eksenden geçen merkezdeki ivmeler de ölçülmüştür. Bu ivme verileri zamana bağlı grafikler halinde sunulmuştur. Yalpa sönümünün deneysel çalışma ile incelenmesinin ardından, yürütülen hesaplamalı çalışma süreci Bölüm 3'te anlatılmıştır. Bu bölümde hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri için seçilen çözüm yöntemi ve genel özellikleri hakkında bilgi verilmiş ve gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları detaylandırılmıştır. HAD analizlerinde çözüm yöntemi için Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemleri, zamana bağlı (URANS) olarak tercih edilmiştir. Mevcut çalışmalarda daha iyi sonuçlar sağladığı anlaşıldığından, analizlerde ağ yapısı olarak overset kullanımı uygun görülmüştür. Hesaplama bölgesi, ağ yapısına uygun olarak overset ve arka plan adlı iki ana bölgeye ayrılmıştır. Serbest yalpa sönümü yapan model gemi hareketlerine ve deneylerde edinilen izlenimle, yalpa sönümünün serbest su yüzeyinde oluşturduğu dalgaların boyutlarına uyacak bir ağ örgüsü kurulumu gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma bölgesinin ortam koşulları deney çalışmalarındaki ile aynı özelliklerde tayin edilmiştir. Ayrıklaştırılan overset çözüm bölgesinde, model gemi hareketleri dinamik akışkan yapı etkileşimi (DFBI) ile altı-serbestlik derecesinde (6DOF) incelenmiştir. Zaman adımının belirlenmesinde, yalpa sönüm hareketinin bir periyodu 100 zaman adımına bölünerek 0.01665 s olarak seçilmiştir. Yalpa çalışmalarında diğer modellere göre üstün olması nedeniyle SST Menter k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Model geminin ağrılık merkezi konumunun kesin olarak tayin edilmesinin mümkün olmaması nedeniyle analizlerde kullanılan atalet momenti, yalpa periyoduna bakılarak deneme yanılma metodu ile belirlendikten sonra başlangıç koşullarına atanmıştır. HAD analizleri, 10° ve 20° ilk yalpa açıları vakaları için yapılmıştır. Oluşturulan hesaplama bölgesi her iki vaka için de kullanılmış, analizler zamana bağlı olarak çözdürülmüştür. 10° serbest yalpa sönüm simülasyonunda model gemi iskele bordasına 10° yatırılmıştır. Analiz başladığı anda, model gemi serbest bırakılmış ve yalpa sönümlenmeye başlamıştır. Simülasyon fiziksel zamanı 20 saniyeye ulaşınca, analiz sonlandırılmıştır. 20°'lik ilk yalpa açısı simülasyonunda da aynı prosedür takip edilmiştir. Netice olarak, HAD analizleri ile geminin zamana bağlı yalpa hareketi elde edilmiştir. Deney ve simülasyon sonuçları kıyaslandığında, hareketin ilk 10 saniyesi için oldukça başarılı bir uyum gözlenmiştir. HAD vasıtasıyla elde edilen yalpa periyoduyla hesaplanan periyot arasında %1 civarında fark bulunmuşken, bu fark deneylerle kıyaslandığında %1'den daha da azdır. Bu sonuçlar, HAD ile deneyler arasındaki uyuma işaret etmektedir. Tüm simülasyon süreci boyunca vakaların iskele ve sancak bordalardaki zamana bağlı ivme verileri de ayrıca raporlanmıştır. Hesaplamalı çalışmalar ile ilgili tüm süreç Star-CCM+ paket programında yürütülmüştür. HAD sonuçlarının deneylerle uyumu gözlendikten sonra, yalpa sönüm katsayılarının hesabına Bölüm 4'te yer verilmiştir. Deneyler ve HAD analizleri, yalpa sönüm katsayıları hesabı için ayrı ayrı kullanılmıştır. Hesaplamalarda, model geminin serbest bırakıldığı andan itibaren iskele ve sancak yönündeki azami yalpa açıları kullanılmıştır. Serbest yalpa sönüm testine özel bir durum olarak, model geminin yalpa hareketinin doğasına aykırı şekilde ilk harekete başlamaktadır. Bu nedenle, ilk üç yarı salınımdaki azami değerlerin sönüm katsayıları üzerindeki etkisi incelenmiştir. İki farklı çalışmanın sonucundan elde edilen yalpa sönüm katsayıları, vakaların kendi içlerinde kıyaslanmasıyla sayısal çalışmanın başarısı değerlendirilmiştir. Tez çalışmasında, deneysel ve hesaplamalı çalışmalar ile yalpa sönüm katsayılarının hesaplanması, ampirik formüllerden oluşan Ikeda metoduna alternatif yöntemler olarak incelenmiştir. Bu çalışmada, yalpa sönümü hadisesinin sayısal çalışmalarla incelenmesinin uygunluğu araştırılmıştır. Öncelikle model geminin yalpa sönüm davranışı, iki farklı yalpa açısındaki serbest yalpa sönüm deneyleri ile incelenerek, sayısal analizlere referans oluşturulmuştur. Ardından, simülasyon çalışmaları ile incelenen yalpa sönümünün deneyler ile olan uyumuna bakılmıştır. İki farklı çalışmadan elde edilen sonuçlarla hesaplanan yalpa sönüm katsayıları ile sayısal yöntemin başarısı araştırılmıştır. Elde edilen sonuçların, gemilerdeki yalpa hareketi araştırmalarına, deneysel ve sayısal temelli çalışmaların gelişimine fayda sağlaması öngörülmektedir.