Yarı dalgıç bir askeri platform tasarımı ve bu platformun hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Savunma sanayinde su altı teknolojisi büyük önem taşımaktadır. Dünya yüzeyinin büyük bölümünün denizlerle kaplı olduğu ve açık denizlerde derinliğin binlerce metreye ulaştığı göz önüne alınırsa bu durum şaşırtıcı değildir. Yarı dalgıç askeri platformlar, bir denizaltı ve bir yüksek hızlı su üstü platformunun üstün özelliklerini bir araya getirerek hem su altında hem de su üstünde görev yapabilen özel amaçlı askeri platformlardır. Bu çalışma kapsamında ülkemizin savunma ihtiyaçları da göz önüne alınarak modern ve özgün bir yarı dalgıç bir askeri platformun kavramsal tasarımının yapılması ve bu tür platformların su altı ve su üstündeki hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca uygun olarak hem su altında hem de su üstünde seyir yapabilen platformların karakteristik özellikleri araştırılmış ve deniz subaylarının görüşlerine başvurularak tasarım önceliklendirme çalışması yürütülmüştür. Sonuçlar 3. Bölüm'de sunulmuştur. Buna göre platformun en önemli özelliklerinin su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ve su altında düşük akustik iz olduğu görülmüştür. Literatürde yer alan sınırlı sayıdaki yarı dalgıç platform tasarımlarından ve bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen tasarım önceliklendirme çalışmasından yola çıkılarak, su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ve su altında düşük akustik iz sağlayan bir kavramsal tasarım geliştirilmiştir. Bu tasarımın özellikleri 4. Bölümde detaylı olarak açıklanmıştır. Tasarlanan yarı dalgıç askeri platformun su hattı boyu 14,78 m, genişliği 2,50 m, su çekimi 78 cm, yüksekliği 3 m, su üstü hızı 30 knot, su altı hızı 5 knot, dalış derinliği 4 m'dir. Platform su üstünde iki adet dizel makine ve su jeti sistemi, su altında ise iki adet elektrik motoru ile sevk edilmektedir. Ayrıca bu tür bir platform için sevk, yük ve dalış hızı hesabı için ön tasarım aşamasında kullanılabilecek basit ve etkin bir yöntem önerilmiştir. 5. Bölüm yürütülen deneysel çalışmaların sonuçlarına ayrılmıştır. Deneysel çalışmalar platform formunun 1/10 ölçekli modeli kullanılarak İTÜ Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda yürütülmüş, su üstü deneyleri ve su altı deneyleri olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Su üstü deneyleri kapsamında direnç, trim ve batma değerlerinin hıza bağlı değişimi incelenmiştir. Froude sayısı 1 değerinin üzerine çıktığında modelin kayma rejimine geçtiği görülmüştür. 3 m/s çekme hızı için yapılan belirsizlik analizi, genişletilmiş deneysel belirsizliğin %1,48 olduğunu göstermiştir. Su altı deneyleri ise üç farklı derinlik ve her bir derinlik için dört farklı hızda yürütülmüş, model üzerine etkiyen direnç değerleri ölçülmüştür. Sabit bir hız için model yüzeye yaklaştıkça direnç kuvvetinin arttığı görülmüştür. Genişletilmiş deneysel belirsizlik değerleri düşük hızlarda yaklaşık %10, yüksek hızlarda ise yaklaşık %1 olarak hesaplanmıştır. Sayısal analizlerde kullanılan matematiksel model ve sayısal çözüm yöntemleri 6. Bölümde açıklanmıştır. Simülasyonlar güncel bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) bilgisayar programı olan Star CCM+ kullanılarak yürütülmüş, Reynolds ortalamalı Navier Stokes denklemleri hücre merkezi tabanlı sonlu hacimler metodu ile ayrıklaştırılarak çözülmüştür. Reynolds gerilmeleri SST k-w türbülans modeli ile hesaplanmış, su ve hava arasındaki serbest yüzey akışkan hacmi yöntemi ile modellenmiştir. Keskin bir ara yüzey yakalayabilmek için, akışkan hacmi taşınım denklemi yüksek çözünürlüklü ara yüzey yakalama şeması ile ayrıklaştırılmıştır. Su altı analizleirnde sabit, su üstü analizlerinde ise hareketli çözüm ağı blokları kullanılmıştır. Basınç alanı ise standart kestirme – düzeltme metodu ile hesaplanmıştır. Analizlerde denklemleri birer birer ele alan iteratif bir çözüm stratejisi benimsenmiştir. Yürütülen sayısal simülasyondan elde edilen bulgular 7. Bölümde açıklanmıştır. Sayısal analizler üç gruba ayrılmıştır. Bunlar derin dalış operasyonu, sığ dalış operasyonu ve su üstü operasyonudur. İlk aşamada yürütülen derin dalış analizleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellemesi en basit problem olduğundan ileri aşamalarda kullanılacak çözüm ağı yapısını optimize etmek amacını taşımaktadır. Daha sonra hem model ölçeğinde hem tam ölçekte gerçekleştirilen sığ dalış analizleri, dalış derinliğinin hidrodinamik kuvvetler ve yunuslama momenti üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Ayrıca tekne etrafındaki hız alanı, basınç alanı ve dalga profili bu bölümde detaylı olarak sunulmuştur. Üçüncü grup analizler model ölçeğinde ve tam ölçekte su üstü performansını incelemektedir. Ayrıca model ölçeğindeki analizler sayısal metodolojinin geçerliliğini ve güvenilirliğini test etme amacını da taşımaktadır. Deney sonuçları ile karşılaştırıldığında sayısal analizler ile belirlenen direnç değerleri için bağıl hatanın %4'ten düşük olduğu saptanmıştır. Platformun 10 knot ile 40 knot hızları arasındaki direnç, trim ve batma değerleri grafik ve çizelgeler halinde sunulmuştur. Dizayn hızı olan 30 knot'ta toplam direnç 15,1 kN, efektif güç gereksinimi ise 233 kW olarak hesaplanmıştır. Tezin son bölümü olan 8. Bölümde hem model ölçeğinin direnç sonuçları üzerindeki etkisi araştırılmış hem de tekne direncinin ölçeklenmesine ilişkin yeni bir metodoloji önerilmiştir. Bu kapsamda 8 farklı Reynolds sayısı ve 2 farklı Froude sayısında toplam 16 HAD simülasyonu yürütülmüş ve boyutsuz direnç katsayısı bileşenlerinin Reynolds sayısına bağlı değişimi grafikler halinde sunulmuştur. Hesaplanan sürtünme direnci değerleri ITTC 1957 eğrisi ile karşılaştırılmış ve sonuçların ampirik denklemle büyük uyum gösterdiği saptanmıştır. Direnç bileşenlerinin toplam direnç içindeki payı model ve tam ölçek arasında önemli ölçüde değişiklik göstermiştir. En düşük model ölçeğinde sürtünme direnci kayma öncesi rejimde toplam direncin %55'ini, kayma rejiminde ise %69'unu oluşturmuştur. Tam ölçekte sürtünme direnci kayma öncesi rejimde %34'e, kayma rejiminde ise %55'e düşmüştür. Önerilen yeni ölçekleme metodolojisi geleneksel yöntemle karşılaştırılmış ve yeni yöntemin geleneksel yönteme kıyasla çeşitli avantajlara sahip olduğu saptanmıştır. Sonuçlara göre tam ölçekte yürütülen HAD analizi ile geleneksel ekstrapolasyon yaklaşımı arasındaki bağıl fark %2,73'tür. Buna karşın yeni yöntem yaklaşık %1 bağıl fark ile daha iyi başarı etmiştir. Yeni yöntemin bir diğer avantajı sayısal belirsizlik hesaplamalarına olanak sağlamasıdır. Yöntemin sayısal belirsizliği yaklaşık %1,2 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma, yarı dalgıç askeri platformların tasarımına yönelik kapsamlı bir metodoloji sunarak, hem deneysel hem de sayısal analizlerle platformun hidrodinamik performansını değerlendirmiştir. Geliştirilen kavramsal tasarım, su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ile su altında düşük akustik iz sağlama hedeflerine uygun şekilde optimize edilmiştir. Yürütülen deneysel çalışmalar, tasarımın performansını doğrularken, HAD analizleri de direnç, trim ve batma değerlerinin yanı sıra ölçekleme metodolojisi için önemli bulgular ortaya koymuştur. Geleneksel yöntemlere kıyasla daha düşük hata payına sahip yeni bir ölçekleme yaklaşımı geliştirilmiş ve model ölçeğinden tam ölçeğe geçiş süreci detaylandırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen tasarımın belirlenen operasyonel gereksinimleri karşıladığını ve gelecekte benzer çalışmalar için güvenilir bir temel sunduğunu göstermektedir.