Ters-dönüşlü pervane sistemlerinde hidroakustik etkileşim

Abstract

Ters-dönüşlü pervane (CRP) sistemlerinde, ön ve arka pervane arasında farklı akış koşulları altında meydana gelen etkileşimin gürültü spektrumu üzerindeki etkisi, gemi arkası durumunda, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Ön ve arka pervane arasında meydana gelen etkileşim; pervane kanatlarının emme ve basınç taraflarında görülen kavitasyon paternleri ile akış hacmi içerisindeki türbülans karakteristikleri dikkate alınarak sınıflandırılmıştır. Sevk noktasında, ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için hesap edilen tork dengesi (ΔQ), sevk verimi (ηD), kavitasyon paternleri, türbülans karakteristikleri ve gürültü spektrumu; kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile karşılaştırılmıştır. CFD çalışmalarında, Reynolds ortalaması alınmış Navier-Stokes (URANS) ve ölçeğe-uyarlanabilir simülasyon (SAS) yöntemleri, SST (shear stress transport) k-ω türbülans modeli ile birlikte kullanılmıştır. SST-SAS modelini SST-URANS modelinden ayıran farklılık, türbülanslı girdap frekansına (ω) ilave edilen bir terimden (QSAS) kaynaklanmaktadır. Çift fazlı akış; VOF (volume of fluid) yöntemi ve kavitasyon ise Rayleigh-Plesset denkleminin basitleştirilmiş bir formunu kullanan Schnerr-Sauer modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Gürültü tahminlerinde, süreklilik ve Navier-Stokes denklemlerinden türetilen ve homojen olmayan yapıdaki bir dalga denklemi olarak ifade edilen Ffowcs-Williams ve Hawkings (FW-H) denklemleri kullanılmıştır. Pervane açık su, kavitasyon ve gürültü spektrumu incelemelerinde, konvansiyonel tipte olan King's College (KCD) KCD 193 pervane modeli kullanılmıştır. Pervane model deneyleri, Newcastle Üniversitesi Emerson Kavitasyon Tüneli'nde (ECT) gerçekleştirilmiştir. CRP sistemleri ile gerçekleştirilen pervane açık su incelemelerinde ise David Taylor Model Basin (DTMB) DTMB 3686-87A ters-dönüşlü pervane çifti kullanılmıştır. Gemi direnci, nominal iz ve sevk incelemelerinde, geometrik özelliklerine ve deney sonuçlarına literatürde erişilebilen, dökme yük tipindeki Japan Bulk Carrier (JBC) gemi modeli kullanılmıştır. JBC gemisi NMRI (National Maritime Research Institute), Yokohoma Üniversitesi ve SRC (Ship Building Research Center of Japan) tarafından, Class NK'nın da dahil olduğu bir endüstri programı kapsamında, araştırma projelerinde kullanılmak için tasarlanmıştır. Doğrulama çalışmalarında, en küçük kareler (LSR) yöntemi kullanılmıştır. CRP sistemlerinin doğrulama ve geçerleme çalışmalarında türbülans modeli, algoritma ve basınç ayrıklaştırma şeması çeşitleri; türbülanslı ölçeklerin modellenmesi, hesaplamaların doğruluğu ve süresi üzerindeki etkileri bakımından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı çalışmalarda, hibrit yapıdaki çok kriterli karar verme yöntemi (MCDM) kullanılmıştır. Performans gereksinimleri bilinen JBC gemisi dikkate alınarak, bir ters-dönüşlü pervane tasarlanmıştır. Pervane tasarımında, Sasaki ve diğ. (1998) tarafından geliştirilen ve Sumitomo Heavy Industries kuruluşunca revize edilen bir yazılım kullanılmıştır. Ön ve arka pervane arasındaki eksenel mesafe (X/DFP), yük dağılımı (LFP:LAP), kanat sayısı konfigürasyonu (ZFP:ZAP) ve devir oranı (nFP:nAP) parametrelerinin; sevk noktasındaki pervane açık su verimi (η0) ve tork dengesi (ΔQ) üzerinde olan etkileri dikkate alınarak, toplamda 81 farklı pervane tasarımı için sistematik bir inceleme gerçekleştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki etkileşimin, gürültü spektrumu üzerindeki etkisi incelenmek istendiğinden, pervaneler arasındaki devir oranı dikkate alınarak, üç farklı sevk noktası bulunmuştur. Hesaplamalı çalışmalarda kullanılan ağ örgüsü yapılarında, ilk hücre yüksekliği (y) ve sınır tabaka içerisindeki toplam katman sayısı; duvardan boyutsuz uzaklık (y+) değeri dikkate alınarak hesap edilmiştir. Akış hacmi içerisinde, yan oran (AR) ve çalıklık (ψ) değerleri için sırasıyla AR<100 ve ψ<0.9 kriterleri genel olarak sağlanmıştır. Model ölçeğinde hesap edilen sevk katsayıları, 1978 ITTC yöntemi kullanılarak tam ölçeğe ekstrapole edilmiştir. Kavitasyon incelemelerinde kullanılacak olan ilerleme katsayısı (J) ve kavitasyon sayısı (σ) değişkenleri belirlenmiştir. Kanat ucu girdap kavitasyonu oluşumunu modellemek için girdaplılık kriterinin (Q) kullanıldığı uyarlanabilir bir ağ örgüsü yapısı oluşturma stratejisi geliştirilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda, ağ örgüsü yapısı iyileştirildikçe; zaman adımı değeri, Courant sayısı (CFL) kriterine (CMAX<1) bağlı olarak küçültülmüştür. CRP sistemlerinde, tek pervaneli sevk sistemlerinden farklı olarak, ön ve arka pervane devirlerinin birbirlerinden farklı olması halinde, hesaplamalı çalışmalarda tamınlanan tekil zaman adımı değerine bağlı olarak, pervaneler arasında bir faz farkı oluşmaktadır. CRP sistemlerinin kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile kavitasyon ve türbülans karakteristikleri bakımından doğru bir karşılaştırmasının yapılabilmesi için bir faz ortalaması alma yaklaşımı geliştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için elde edilen kavitasyon paternleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, akış hacmi içerisinde tanımlanan farklı pozisyonlardaki dairesel kesitler üzerinde, türbülanslı kinetik enerji (k), girdaplılık (Ω) ve türbülans boy ölçeği (l) değerleri incelenmiştir. Gürültü tahminlerinde, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde her bir dalga boyuna en az (λ) 20 hücre sığdırılması, sınır frekansı (cut-off frequency) ve en küçük türbülans boy ölçeğinin en azından iki hücre kullanılarak modellenmesi yaklaşımları dikkate alınmıştır. Hesaplamalı çalışmalarda, pervane önündeki ve arkasındaki akış hacminin bir bölümünü içerisine alan bir akış hacmi (PDS) gürültü kaynağı olarak tanımlanmıştır. Böylece, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde meydana gelen türbülanslı yapıların (kuadrupol) etkileri de incelemelere dahil edilmiştir. Şaft merkezine eşit uzaklıktaki farklı alıcı pozisyonlarında hesap edilen gürültü spektrumları incelenmiştir. Sevk noktasında, tek pervaneli ve farklı devir oranlarındaki CRP sistemleri için bulunan gürültü spektrumları kendi aralarında karşılaştırılmıştır.