Gemi pervanelerinde ölçek etkisinin açık su karakteristikleri, kavitasyon oluşumu ve kavitasyon erozyonu üzerinde incelenmesi

Abstract

Küresel Isınma günümüzde dünyamızı tehdit eden en önemli sorunlardan biridir. Küresel ısınmanın nedenlerinden bir tanesi olan, gemilerden salınan emisyon gazlarının, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından bir takım kural ve düzenlemelerle azaltılması amaçlanmıştır. Gemilerin emisyon gazlarının salınımını ve işletim maliyetlerini azaltmak için sevk veriminin artırılması son derece önemlidir. Gemilerin genel sevk verimi, pervanenin açık su ve gemi arkasında pervane olduğu sevk durumlarında deneysel ve hesaplamalı (HAD) olarak belirlenir. Tam ölçekte bu testlerin yapılması mümkün olmağından, gemiler ve pervaneler belli bir oranda küçültülür, çekme havuzlarında ve kavitasyon tünellerinde testlerinin gerçekleştirilmesi sağlanır. Sevk veriminin artırılmasında pervane dizaynı son derece önemlidir ve pervanelerin hidrodinamik performansı model deneyinden ve hesaplamalı çalışmalardan (HAD) elde edilen sonuçlara göre belirlenir. Ancak model ve tam ölçek pervane arasında farklı Re sayılarından ötürü akış benzerliği sağlanamaz. Tam ölçekte akış tamamen türbülanslı iken, model ölçeğinde laminar, geçiş bölgesi ve türbülanslı bölge görülür. Bu nedenle, tam ölçek ve model için sonuçlar farklılık gösterir ve bu ölçek etkisi olarak ifade edilir. Bu çalışma kapsamında pervanenin açık su, kavitasyon ve erozyon oluşumu için farklı model ölçeklerinde ve tam ölçekte ölçek etkisi hesaplamalı olarak incelenmiştir. Bölüm 1'de açık su ve kavitasyon oluşumu ölçek etkisi çalışmaları için literatür taramasına yer verilmiştir. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen tüm analizler (açık su, kavitasyon ve erozyon), Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda Bölüm 2'de, HAD yöntemleri, türbülans modellemesi, kavitasyonlu akışı modelleme yöntemleri, kavitasyon modelleri ve kavitasyon erozyonu tahmini yöntemleri için bilgi verilmiştir. Ayrıca çalışma kapsamında kullanılan k-ω SST türbülans modeli için detaylı bilgiye verilmiştir. Gemi pervanelerinde ölçek kavramına, tam ölçek ve model ölçeği arasındaki hidrodinamik benzerliklere, model ölçeğindeki sonuçların tam ölçeğe taşınmasına ve açık su analizleri için ölçek etkisini hesaplayan farklı yöntemlere Bölüm 3'te yer verilmiştir. Ayrıca açık su çalışmasında, kavitasyon ve erozyon çalışmasında boyutsuz olarak incelenecek parametrelere bu bölümde yer verilmiştir. Bölüm 4 ile birlikte çalışmanın hesaplamalı kısmına açık su analizleri ile geçilmiştir. Bölüm 4.1'de çalışmada kullanılan DTMB 5415 pervanesinin özelliklerine, 3 farklı ölçek ve tam ölçek için yer verilmiştir. Bölüm 4.2'de hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından bahsedilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda sonuçlar üzerinde çok fazla etkisi olan parametre, oluşturulan ağ örgüsüdür. Sınır tabaka içerisindeki ağ örgüsü, hücre yan oranları, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken özen gösterilmesi gerekli husustur. Bölüm 4.3'te açık su analizleri için tüm ölçeklerde ağ örgüsünün oluşturulma detaylarına ve ağ görünüşlerine yer verilmiştir. Ölçek etkisi çalışmasında sonuçların ağ yapısından bağımsız olması, düzgün karşılaştırma yapılabilmesi için çok önemlidir. Bu kapsamda itme katsayısı (KT) için 3 farklı ölçekte ve tam ölçekte ağdan bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir ve ağ örgüsünün belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışması Bölüm 4.4'te detaylı olarak incelenmiştir. Bölüm 4.5'te açık su analizlerinde tüm ölçeklerde incelenen akış koşullarına yer verilmiştir. Açık su analizleri 0.2-0.8 arasındaki ilerleme sayılarında gerçekleştirilmiştir. HAD çalışmasının doğruluğu göstermek amacıyla geçerleme çalışması yapılması önemlidir. Bu kapsamda literatürde açık su deney sonuçları bulunan 173 mm çaptaki model pervanenin geçerleme çalışması Bölüm 4.6'da verilmiştir. Analizler sonucunda elde edilen sonuçlar ve kanat üzerindeki y+ dağılımları Bölüm 4.7'de gösterilmiştir. Model ölçeklerinde elde edilen sonuçlar ile tam ölçekten elde edilen sonuçlar Bölüm 4.8'de karşılaştırılmıştır. HAD yöntemleri ve ITTC 1978 yöntemi ile 3 farklı model ölçeği için ölçek etkisi hesaplanmıştır. ITTC 1978 yöntemi ve HAD yöntemi sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlara bakıldığında tüm ölçeklerde, ITTC 1978 yönteminin ölçek etkisini HAD'a göre düşük hesapladığı görülmüştür. Ayrıca HAD yöntemlerinde yüksek ilerleme sayılarında ölçek etkisi artmıştır. Bölüm 5'te hesaplamalı kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerine geçilmiştir. Hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından Bölüm 5.1'de bahsedilmiştir. Açık su analizlerine benzer olarak kavitasyon ve erozyon oluşumu çalışmasında ağ örgüsünün önemi çok daha büyüktür. Hücre yan oranları, sınır tabakada ağ örgüsü, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken dikkat edilmesi gereken noktalardır. Ölçek etkisi çalışmasında farklı ölçeklerdeki yan oranları benzer tutulmuştur. Bölüm 5.2'de tüm ölçeklerdeki ortalama yan oranlara, ağ örgüsü görünüşlerine ve pervane yüzeyindeki ağ örgüsü görünüşüne yer verilmiştir. Kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerinde incelenen akış koşulları Bölüm 5.3'de verilmiştir. Tüm ölçeklerde 4 farklı durum incelenmiştir. Ayrıca erozyon analizlerinde kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişkiyi incelemek için 3 farklı durumda daha, 246.4 mm çaptaki pervane için analizler gerçekleştirilmiştir. Ölçek etkisi çalışmalarında çok önemli olan ağdan bağımsızlık analizi Bölüm 5.4'de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sonuçların zaman adımından bağımsız olduğunu göstermek için de çalışma yapılmıştır. İtme katsayısı (KT) ve yüzey kavitasyon alanı için ağdan ve zamandan bağımsızlık çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ağ örgüsünün ve zaman adımının belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır. Kavitasyon ve erozyon oluşumu için y+ değerlerinin model ölçeklerinde viskoz alt tabakada, tam ölçekte logaritmik tabakada tutulduğu Bölüm 5.5'te pervane yüzeyi üzerinde gösterilmiştir. Kavitasyon analizi sonuçlarında itme, tork ve yüzey kavitasyon alanı sonuçları boyutsuzlaştırılarak ölçek etkisi incelenmiştir. Bölüm 5.6'da incelenen 4 farklı durum için sonuçlar karşılaştırılmıştır. İncelenen tüm durumlarda model çapı büyüdükçe yüzey kavitasyon alanının arttığı, tork katsayısının (KQ) azaldığı tespit edilmiştir. İtme katsayısı (KT) ise bir durum hariç artmıştır. Bu bölümde kavitasyon görülme kavitasyon sayısı da model ölçeklerinde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe kavitasyonun daha büyük kavitasyon sayılarında görülmeye başlandığı tespit edilmiştir. Bölüm 5.7'de ise erozyon tahminleri için ölçek etkisi incelenmiştir. Ölçek etkisi incelenirken pervane kanatlarındaki ortalama erozyon şiddeti değerleri kullanılmıştır ve karşılaştırma yapılabilmesi için bu değerler boyutsuzlaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe boyutsuz ortalama erozyon gücünün (CEP) azaldığı görülmüştür. Kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişki Bölüm 5.8'de incelenmiştir. Bu kısımda da boyutsuz ortalama erozyon gücü (CEP) kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde kavitasyon sayısı azaldıkça CEP değerlerinin başlangıçta arttığı ve maksimuma ulaştığı, daha sonra ise azalmaya başladığı görülmüştür.