Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi

Abstract

Endüstriyel üretimdeki artış, dünya nüfusunun hızla artması, gelişen teknoloji ve insanların yaşam standartlarının artması; büyük miktarda enerji ihtiyacını beraberinde getirir. Günümüzde artan enerji talebinin karşılandığı birinci kaynak fosil yakıtlar özellikle petroldür. Fakat artan bu talebi kısıtlı ve tükenen fosil kaynaklarla temin etmenin uzun vadede mümkün olmayacağı açıktır. Fosil yakıt kullanımının doğa üzerindeki olumsuz etkileri (iklim değişikliği, hava kirliliği, küresel ısınma, çevre kirliliği, $\mathrm{CO}_2$ emisyonu vb.…) son yıllarda insanlar tarafından daha görünür hale gelmekte ve toplumların refahını önemli ölçüde etkilemektedir. Fosil yakıtları çevreye olan olumsuz etkileri, uluslararası anlaşmalar ile gelen yükümlülükler, ülkelerin enerji güvenliği ihtiyacı ve sürdürülebilirlik; yenilenebilir enerjiye olan yönelimin ana nedenleridir. Ülkemizde de sürdürebilir kalkınmanın ve enerji güvenliğinin sağlanabilmesi için yenilenebilir enerji kaynaklarını verimli bir şekilde kullanması mecburidir. Ülkemizde kullanılan yeşil enerji kaynakları rüzgar, jeotermal, güneş, hidroelektrik ve dalga enerjisi olarak sıralanabilir. Ülkemiz için temel hedef, bu sıralanan enerji kaynaklarını en verimli şekilde kullanarak yeşil enerjinin toplam enerji üretim oranını artırmaktır. Türkiye üç tarafı denizlerle çevrili ve 8 bin 333 km kıyı şeridine sahiptir. Fakat denizlerimizin sahip olduğu büyük ve sürekli enerji potansiyelinden olması gerektiği gibi yararlanamadığı görülür. Bu nedenle denizlerin sahip olduğu yeşil enerji ile alakalı her türlü çalışmanın teşvik edilip desteklenmesi geleceğimiz için elzemdir. Denizde büyük bir enerji potansiyeline sahip akım enerjisini kullanılabilir enerjiye çeviren birçok sistem vardır. Bu sistemlerden en yaygın kullanılanı sualtı akıntı türbinleridir. Su altı akıntı türbinleri, akımın sahip olduğu kinetik enerjiyi mekanik torka çeviren sistemlerdir. Dönme ekseni ile akım yönünün birbirlerinin konumuna göre iki tipe ayrılır. Akım yönü ile dönme ekseni birbirlerine paralel ise yatay eksenli, akım yönü ile dönme ekseni birbirine dik ise dikey eksenli su altı akıntı türbini olarak sınıflandırılır. Yüksek verim, düşük bakım maliyeti, düşük tork dalgalanmaları gibi avantajlara sahip olmasından dolayı yatay eksenli türbinlerin dikey eksenli türbinlere oranla kullanımı daha yaygındır. Bu çalışmada ele alınan tüm sualtı akıntı türbin modelleri yatay eksenli tiptedir. Sualtı akıntı türbinlerinin çalışma prensipleri rüzgar türbinleri ile benzerdir. Bu nedenle rüzgâr türbinleri ile alakalı yapılan çok sayıda çalışmadan elde edilen bilgiler ve kullanılan yöntemler sualtı akıntı türbinlerine de uygulanabilir. Rüzgar türbinleri ile sualtı akıntı türbinlerinin benzer çalışma mekanizmasına sahip olmasına karşın farklı türbülans yoğunluklarında çalışması, çalıştıkları akışkan özellik farkları ve kavitasyon oluşumu aralarında en belirgin ve dikkat edilmesi gereken farklılıklardır. Geliştirilen sayısal analiz araçlarında en önemli hedef, matematiksel yöntemin gerçek durumu en doğru şekilde modelleyebilmesidir. Bu nedenle kavitasyon olgusunun yönteme dahil edilmesi sayısal aracın doğruluğu açısından çok önemlidir. Çalışmada rüzgâr türbinlerinin performans analizlerinde de sıklıkla kullanılan momentum kanat elemanı yöntemi kullanılmıştır. Momentum kanat elemanı yöntemi, momentum yöntemi ve kanat elemanı yönteminin birleşiminden oluşmaktadır. Kanat elemanı yönteminde kanat kökten uca doğru belirli sayıda bölüme ayrılır. Her bir parçadan elde edilen itme ve tork değerleri hesaplanıp kanat boyunca integre edilir. Böylece rotora ait toplam itme ve tork değerleri hesaplanır. Yöntem çalışırken kanat kesitlerine ait kaldırma ve direnç kuvveti katsayılarını kullanır. Bu değerlerin doğruluğu, yöntem sonuçlarını doğrudan etkiler. Literatürde yapılan çalışmalarda kaldırma ve direnç kuvvet değerleri genellikle panel yöntemleri ile hesaplanır. Tez çalışmasında bu değerler panel yönteminin yanı sıra HAD analizleri ile de hesaplanmıştır. Bu kesitlere ait akım karakteristikleri kavitasyonlu durum altında hesaplanırsa kavitasyon olgusu ve lineer olmayan viskoz etkiler kanat elemanı yöntemlerine dahil edilmiş olur. Oluşturulan kanat elemanı yöntemi kodunun doğrulamasını yapmak için deney verileri olan üç tane sualtı akıntı türbini seçilmiştir. Bu üç türbin farklı çaplarda ve sırasıyla iki, üç ve dört kanatlıdır. Bu türbinlere ait kesit karakteristik değerler panel yöntemi ve iki boyutlu HAD analizleri ile hesaplanmıştır. Kanat elemanı yöntemi ile farklı uç hız oranlarına karşılık boyutsuz güç ve itme katsayıları elde edilmiş, elde edilen bu sayısal değerleri deney değerleri ile kıyaslanarak, oluşturulan matematiksel modelin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu kavitasyon yapan kesitler için HAD analizleri OpenFOAM programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM kütüphanesi C++ programlama dili ile hazırlanmış sonlu hacimler yöntemini kullanan açık kaynaklı bir programdır. İki boyutlu ağ yapıları ise düzgün yapıda ve C-tip hesaplama alanı topolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. Türbülanslı akım tüm analizlerde SST k-$\omega$ yaklaşımı ile modellenmiştir. Ağ örgüleri türbülans modeli gereksinimlerine uygun olarak ($\mathrm{y}^+$<1) hazırlanmıştır. Kavitasyon modeli olarak Schnerr-Sauer seçilmiştir. Zamandan bağımsız analizlerde, zaman adımı program tarafından CFL<1 koşuluna uygun şekilde her hesaplama adımı için hesaplanmıştır. Kavitasyonlu durum altında kanat elemanı yöntemi ile incelenen türbin kanat kesit geometrisi NREL S814 geometrisine ait kavitasyonlu deney sonuçları literatürde mevcut değildir. S814 geometrisine ait kavitasyonlu HAD analizlerine geçmeden önce seçilen HAD şemalarının ve ağ yapılarının doğruluğu, literatürde deney verileri olan ve sıklıkla kullanılan vakalarla yapılmıştır. Bu amaçla üç farklı kavitasyonlu durum incelenmiştir. Bunlar küre başlı geometri, NACA 66 geometrisi ve Clark-Y geometrisidir. Küre başlı geometride analizler $0.2\leq\sigma \leq0.5$ aralığında üç farklı kavitasyon sayısı için gerçekleştirilmiştir. Geometri üzerindeki basınç dağılımı ve kavitasyon şekli deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, NACA 66 geometrisi için kavitasyon analizleri $0.84 \leq \sigma \leq1.0$ durumları için gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan kaldırma ve direnç kuvveti katsayıları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. NACA 66 ve küre başlı geometriye ait analizlerde kavitasyon hacmi analiz zamanı ilerledikçe büyür, bir süre sonra belli bir değer etrafında çok küçük salınım yapar. Geometri üzerinde sabit bir kavitasyon oluşumu görülür. Clark-Y geometrisinde ise bu iki durumdan farklı olarak kavitasyon oluşur, farklı formlara dönüşür ve yok olur. Daha sonra bu çevrim tekrar eder. Clark-Y geometrisine ait bir çevrim boyunca okunan ortalama kaldırma ve direnç kuvveti değerleri ve ortalama basınç değerleri deney verileri ile kıyaslanmıştır. İncelen bu üç durum sonucunda elde edilen sayısal sonuçların deney verileri ile makul bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Böylece kavitasyonlu analizlerde seçilen çözüm şemalarının ve zaman adımlarının doğrulaması yapılmıştır. Bu analiz kurulumu kullanılarak geniş bir Reynolds ve kavitasyon sayısı aralığında NREL S814 kavitasyonlu kesit vaka analizleri yapılmış, kanat elemanı yönteminde kullanılmak üzere kaldırma ve direnç kuvveti katsayı tabloları oluşturulmuştur. BEMT yöntemi ile üç farklı türbin geometrisi incelenmiştir. Bu türbinlerden biri üç boyutlu olarak modellenmiş ve çalışmada daha önce yapılan HAD analizlerinden farklı olarak geometrinin tamamı HAD analizinde incelenmiştir. Analizlerde kavitasyonsuz durum geçerlidir. Türbinin dönme hareketi MRF yöntemi ile modellenmiştir. Türbülans modeli olarak k-$\omega$ seçilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar, deney ve daha önce yapılan sayısal çalışma sonuçları ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Ayrıca türbin modeline ait hidrodinamik performans değerleri deneysel olarak da incelenmiştir. Deneysel çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı Çekme Tankı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmanın ilk adımında üç boyutlu çizim programı ile ölçeklendirilmiş türbin model geometrileri hazırlanmış ve üç boyutlu yazıcıda fiber filament kullanılarak üretilmiştir. 15 cm ve 18 cm çaplı iki ve üç kanatlı olmak üzere 4 adet türbin modeli üretilmiştir. Daha sonra uygun bir gemi modeli seçilmiş, bu gemi modelinin baş kısmından şaft çıkarılarak türbin monte edilmiştir. Deneysel çalışmada açık su pervane deney prosedürü takip edilmiştir. Akım hızı yani model araba hızı sabit tutulup, elektrik motoruna bağılı türbinin devir sayısı değiştirilerek istenen uç hız oranı değerleri elde edilmiştir. Tüm deney boyunca dinamometre ile itme ve tork değerleri anlık kaydedilmiştir. Geniş bir uç hız oranı aralığında güç ve itme katsayı değerleri hesaplanmış, sonuçlar literatürde bulunan deneysel ve sayısal çalışmalar ile mukayese edilmiştir. Son bölümde ise tez sonucunda elde edilen sonuçlar ayrıntılı bir şekilde yorumlanmıştır. Bu konu başlığı altında gelecekte yapılabilecek çalışmalara önerilerde bulunulmuştur.