Geri Dön

Comparison between blade element momentum theory and computational fluid dynamics methods for performance prediction of marine propellers

Gemi pervanelerinin performansının belirlenmesinde kanat elemanı momentum teorisinin ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerinin karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 458867
  2. Yazar: KAYHAN ÜLGEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞAKİR BAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 147

Özet

Bu çalışmada kanat elemanı momentum teorisi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri kullanılarak, gemi pervanelerinin açık su performanslarının belirlenmesi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Kanat elemanı momentum teorisi, momentum ve kanat elemanı teorilerinin birleşiminden oluşmaktadır. Momentum teorisi, akım tüpü içerisindeki sonsuz sayıda kanatlı bir pervane olarak ele alınan pervane diski eksenindeki ve akım yönündeki, hız ve basınç değerlerinin, enerjinin ve eksenel momentumun korunumu yasalarına bağlı olarak hesaplanabilmesini sağlamaktadır. Bu teoriye göre akım, viskoz ve rotasyonel olmayan, sıkıştırılamaz olarak incelenmektedir. Bu sebeple enerji kayıpları ihmal edilmektedir. Bunun yanı sıra momentum teorisi, burulma etkilerini göz önünde bulundurmamakta ve dolayısıyla teğetsel etkileri ihmal etmektedir. Bunun bir sonucu olarak, itme etkilerinin pervane diski üzerinde düzgün dağıldığı görülmektedir. Ele alınan tüm bu ideal koşullara rağmen, momentum teorisinin en önemli sonucu, pervane diski üzerindeki indüklenmiş hızların, sonsuz uzunluktaki akım tüpü çıkışındaki hızların yarısı kadar olacağıdır. Kanat elemanı teorisinin temel amacı, pervane kanatlarının radyal kesit performans değerlerinden faydalanarak, pervane itme, tork ve ilerleme katsayısına bağlı olarak açık su verim ifadelerinin hesaplanmasıdır. Bu teoride radyal kanat kesitleri üzerine etkiyen bileşke hız değerlerinden faydalanılır. Bu sebeple, geometrik piç açısı, hidrodinamik piç açısı ve hücüm açısı değerlerinin doğru tespit edilmesi gereklidir. Kanat elemanı teorisinin ön önemli özelliği açısal momentumun korunumu ilkesine bağlı kalmasıdır. Ancak bu teoride, pervane kanatlarının birbirleri üzerine olan etkisi, kanatlar etrafında oluşan girdapların hızları ve giriş açısında olan etkileri ihmal edildiğinden, pervane açık su performansının eldesinde tek başına yetersiz kaldığı görülmektedir. İhmal edilen fiziksel koşulların yanı sıra, bu fiziksel koşulların matematiksel modellenmesi sırasında ihmal edilen etkilerin de göz önünde bulundurulması sonucu ortaya atılan kanat elemanı momentum teorisi, momentum ve kanat elemanı teorilerinin eksik yanlarını kısmen de olsa kapatmaktadır. İhmal edilen kayıplar Goldstein sirkülasyon düzeltme katsayıları ile hesaplanabilmektedir. Bununla birlikte pervane kanat kesitleri üzerindeki indüklenen hızlar, hücüm açıları ve lokal viskoz etkiler göz önünde bulundurulabilir. Bu nedenlerle, çalışmanın ilk bölümünde kanat elemanı momentum teorisi, MATLAB ve XFOIL yazılımları kullanılarak geliştirilmiştir. Önce, verilen pervane kanadı, parçalı kübik Hermite interpolasyonu yöntemi ile sonlu kanat elemanlarına bölünmüştür. En içteki veya en dıştaki kanat elemanı için eksenel akım faktörüne yaklaşık olarak bir değer atanmıştır. Daha sonra teğetsel akım faktörü ideal kanat elemanı verimi ifade kullanılarak belirlenmiştir. Teğetsel ve eksenel hız bileşenleri bu faktörler kullanılarak hesaplanmıştır. Hatve açıları, pervane geometrisi baz alınarak hesaplanmıştır. Böylece geometrik ve hidrodinamik hatve açıları arasındaki farktan her bir kanat kesidine gelen akımın hücum açılarına ulaşılmıştır. Radyal kanat kesidi için kaldırma ve sürükleme katsayıları XFOIL yazılımı kullanılarak hesaplanmış, bu değerler Goldstein faktörleri ile düzeltilip radyal integrasyon ile pervanenin itme ve tork değerleri hesaplanmıştır. Sonrasında, yeni bir eksenel indükleme katsayısı hesaplanmış ve iteratif yöntem yeterli tolerans değerine ulaşıncaya dek sürdürülmüştür. Bu iteratif yöntem ile her bir radyal kesitteki itme ve tork değerleri kanat üzerinde integrasyon işlemi gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Gemi pervanelerinin açık su performansının belirlenmesinde kullanılan yöntemlerden biri de hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleridir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri, temel olarak, akışkanlar dinamiğini tanımlayan kısmi diferansiyel denklemlerin, doğrusal cebirsel denklemlere dönüştürülmesi, bu denklemlerin matris sistemleri halinde yapılandırılması ve bu sistemlerin iteratif olarak çözümlenmesine dayanmaktadır. Bu yapılandırma esnasında sonlu farklar, sonlu elemanlar, sonlu hacimler, sınır elemanları, spektral elemanlar, süreksiz Galerkin yöntemi vb. yöntemler kullanılmaktadır. Burada, sınır elemanları yöntemi dışında kullanılan tüm yöntemlerde katsayılar matrisinin seyrek matris, diagonal olarak baskın ve iyi konumlanmış olması gerekmektedir. Günümüzde hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri oldukça gelişmiş olup, yüksek performanslı ve kapasiteli bilgisayarlar sayesinde akışkan hareketini tanımlayan kısmi diferansiyel denklemlerin ortalamalı olarak veya doğrudan çözümüne olanak sağlamaktadır. Bu çözümler, fiziksel ortam koşullarının matematiksel olarak ifade edilmesi teorisine dayanır. Bu sebeple akışkan denklemlerinin çözülebilmesi için doğal ve asıl sınır şartlarının doğru bir şekilde probleme dayatılması gerekmektedir. Aksi takdirde ele alınan problemin matematiksel ve fiziksel olarak doğruluk payı yüksek bir şekilde hesaplanması mümkün değildir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri ile fiziksel olayların matematiksel modellenebilmesi için ticari veya açık kaynak kodlu yazılımlar kullanılmaktadır. Açık kaynak kodlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği kütüphanelerinden biri olan OpenFOAM, C++ dilinde yazılmış, sürekli ortamlar mekaniği alanındaki nümerik uygulamalar için oluşturulmuş bir kütüphanedir. Bu kütüphanenin temeli, hücre temelli sonlu hacimler yöntemine dayanmaktadır. Açık kaynak kodlu olması, lisans ücreti gerektirmemesi, mümkün olan en yüksek işlemci sayısına kadar paralel bilgisayarlarda nümerik hesaplamalar yapılmasına olanak sağlayan OpenFOAM kütüphanesi, kod geliştirmeye izin veren ancak GPL lisanslı olması bakımından geliştirilen kodun tüm kullanıcılarla paylaşılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu kütüphanenin tek dezavantajı, kısa zamanda profesyonel olarak kullanılabilmesi için literatürde yeterli derecede kaynak bulunamamasıdır. Gemi pervanelerinin açık su performans değerlerinin eldesi için üç farklı yöntem kullanılmaktadır. Bunlar; tekli dönen eksen takımı yöntemi, çoklu dönen eksen takımı yöntemi ve kayar çözüm ağı yöntemleridir. Tekli dönen eksen takımı yöntemine göre akışkan hacmi içerisindeki tüm hücrelere ivme verilerek, basınç-hız ve türbülans değişkenleri hesaplanır. Bu yöntemde ele alınan hızlar, mutlak referans noktasına göre göreceli hızlardır. Çoklu dönen eksen takımı yönteminde ise, akışkan hacmi Coriolis etkilerinin hesaba katılacağı bir iç hacim ve dış hacimden meydana gelmekte olup, yalnızca bu iç ve dış hacimler arasındaki ara yüzeyler arasında lineer interpolasyon yapılarak çözüm sağlanır. Kayar çözüm ağı yönteminde ise, dinamik çözüm ağı kullanılarak, pervanenin zamana bağlı olarak hareket ettirilmesi ile akışkan hacmi içerisindeki hız ve türbülans değerlerinin gerçek değerleri fiziksel olarak doğruluk payı yüksek bir şekilde hesaplanmış olur. Bunun yanı sıra, düzenli veya düzensiz, daimi veya daimi olmayan zaman ayrıklaştırma yöntemlerine bağlı olarak geliştirilen basınç-hız bağlaşım yöntemleri mevcuttur. Bunlar temelde SIMPLE, PISO ve PIMPLE algoritmalarıdır. SIMPLE algoritması, akışkan denklemlerinin daimi olarak çözülmesine olanak sağlar. Bu sebeple akışkan hacmi içerisinde meydana gelen değişimleri incelemekte yetersiz kalmasına karşın, nümerik olarak hızlı ve yakın bir sonuç sunar. PISO algortiması ise daimi olmayan akımların modellenmesi amacı ile kullanılan, ancak nümerik difüzyonun yüksek olması durumunda istenilen sonucu vermekte yetersiz kalan bir algoritmadır. Bu sebeple PISO algoritması kullanılırken Courant-Friedrichs-Lewy şartına dikkat edilmesi gereklidir. Bunların dışında kullanılan PIMPLE algoritması ise, akışkan hareketini modellerken yüksek zaman adımı kullanmakta ve bu nümerik difüzyondan meydana gelebilecek hataları önlemek amacıyla iterasyon sayısına bağlı olarak hesaplamaktadır. Böylece akışkan daimi olarak modellenmemesine karşın, nümerik çözümün daimi akıma yaklaştığı, stabilitenin ve doğruluk payının yüksek ölçüde sağlandığı görülmüş olur. Akışkanlar, daimi ve düzenli olduğunda laminer, düzensiz ve daimi olmadığında ise türbülanslı olarak kabul edilirler. Akışkanın laminer veya türbülanslı olması ise Reynolds sayısı ile göreceli olarak belirlenebilir. Bu sebeple akışkan içerisinde meydana gelen türbülans değişimlerinin incelenebilmesi için bir çok model geliştirilmiştir. Geliştirilen bu modeller, gerçekte fiziksel olayları ayrıklaştırmada yetersiz kalmalarına karşın, doğruluk payı oldukça yüksek çözümler sunmaktadırlar. Temelde bu modeller; doğrudan nümerik simülasyon (DNS), büyük girdap simülasyonu (LES), Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS) ve Reynolds gerilme modeli (RSM) olmak üzere dörde ayrılmaktadır. Doğrudan nümerik simülasyon yöntemi ile Navier-Stokes denklemleri doğrudan çözülür ve türbülans modeli kullanılmaz. Büyük girdap simülasyonlarında ise, büyük ölçekteki girdaplar çözümlenirken, küçük ölçekteki girdaplar modellenir. Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemleri ile akışkan hareketi zaman ortalamalı terimler baz alınarak hesaplanır. Reynolds gerilme yöntemi ile de, Reynolds gerilme tensörlerinindoğru bir şekilde çözümlenmesi sağlanmış olur. Bahsedilen bilgiler doğrultusunda çalışmanın ikinci bölümünde ise DTMB 4119 pervanesinin etrafındaki akış alanı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile ayrıklaştırılmıştır. Bu hesaplamalar esnasında, dönen eksen yöntemi tekniği kullanılmıştır. Yakın duvar yaklaşımı için SST k-omega türbülans modeli seçilmiş ve diğer türbülans modellerinin etkileri ihmal edilmiştir. Çözüm ağının yeterince sık olmamasından dolayı meydana gelebilecek etkiler de ihmal edilmiş olup, pervane etrafındaki çözüm ağı yeterince sıklaştırılmış böylece duvar fonksiyonu kullanılarak kayma gerilmelerinin hesaplanması sağlanmaya çalışılmıştır. Bunun yanı sıra çözüm ağı bağımsızlık analizleri de gerçekleştirilmiştir. Daimi dönen eksen tekniğinin kullanıldığı akış analizleri esnasında, denklem sisteminin stabilitesinin sağlanabilmesi için SIMPLE-Consistent algoritması kullanılmıştır. Pervane etrafındaki basınç katsayısı dağılımı ve performans katsayıları hesaplanmış olup deney sonuçları ile karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Ayrıca itme ve tork katsayıları da hesaplanmıştır.

Özet (Çeviri)

This thesis illuminates the comparison of blade element momentum theory and computational fluid dynamics method on marine propellers. For this purpose, on the first part of the thesis, blade element momentum theory algorithm is implemented using MATLAB and XFOIL softwares. In order to fulfill verification and validation of blade element momentum theory algorithm, the practical analysis technique is applied to DTMB 4119 propeller, for which hydrodynamic characteristics and open water results are given in the literature. First, propeller blade geometry is subdivided into finite blade elements using piecewise cubic Hermitian interpolation method. According to Benini's studies on blade element momentum theroy, a tentative value for axial inflow factor is specified for the first iteration based on innermost or outermost section. Second, angular inflow factor (swirl factor) can be computed using ideal blade element efficiency. Slipstream and axial velocity components are computed using these factors. Pitch angles are obtained using pitch distribution along the blade. Angle of attack values are calculated using the difference between geometric and hydrodynamic pitch angles. Lift and drag coefficients per blade element could be computed using angle of attack, local chord distribution and local Reynolds number values. Third, thrust and torque effects per blade element are defined and corrected by Goldstein-Tachmindji correlation factors. Then, new axial inflow factor value is computed and this loop is kept on the difference between old and new axial inflow factors are reach up to better tolerance. Finally, obtained thrust and torque values for each radial strip are radially integrated over the blade. According to McCormick's linear, small angle approximation, a tentative value for induced angle of attack is specified for the first iteration. After the normalized induced velocity is computed, the new value of local induced angle of attack is calculated. This algorithm is iterated until the changes in the computed induced angle of attack become sufficiently small. Finally, thrust and power coefficients are computed when the convergence is reached. On the second part of the thesis, incompressible and viscous fluid flow around DTMB 4119 propeller is discretized using computational fluid dynamics method. On this study, open water simulations are implemented using OpenFOAM which is an open source, object oriented library for numerical computations in continuum mechanics, written in the C++ programming language. In order to perform open water computations using multiple reference frame technique, physical domain is constructed by rotating and static subdomains according to ITTC recommendations. Both subdomains are imported into Numeca Hexpress/Hybrid software and grid generation is done seperately. First, an isotropic Cartesian block grid is generated around the geometries. Second, the grid is refined in refinement regions by splitting the initial cell volumes. To avoid numerical errors arising from interpolation between non-conforming arbitrary mesh interfaces, the refinement cell sizes on interfaces are obtained approximately equal. Then, the volumic grid is snapped onto the model. Finally, so as to capture viscous effects, viscous layers are inserted according to the foreseen y+ value. SST k-$\omega$ turbulence model is chosen for near-wall treatment and effects of various turbulence models are neglected. Grid dependency is taken into account in order to satisy open-source CFD code algorithm. Coarse, medium and fine mesh levels are specified according to the refinement levels by terms of propeller diameter. Owing to the fact that steady time discretization scheme is chosen, SIMPLE (Semi-Implicit Pressure Linked Equation) formulation with consistent algorithm is used to improve convergence, accuracy and solution time. Finally, pressure coefficient distributions on specified sections from blade element momentum theory and OpenFOAM are compared with experimental results. Besides, numerically computed open water performance values are compared with PVL and experimental results. However, in this study wake adaption, nonlinear blade element momentum theory solutions and cavitation effects are neglected.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439585

    Eksenel gaz türbini kanat ucu geometrisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile aerotermal tasarımı

    Aerothermal design of axial gas turbine blade tip using computational fluid dynamics

    CEM BERK ŞENEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  2. Tez No

    485278

    Kuyruk yeli enerjisi kullanılarak düşey eksenli rüzgar türbin çiftliği geliştirilmesi

    Development of a vertical axis wind turbine farm by using wake energy

    AHMETCAN ETYEMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ

  3. Tez No

    323776

    Savaş gemilerinin pervane kaynaklı gürültü karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle incelenmesi

    Prediction of propeller noise of surface ships and submarines by using computational fluid dynamics methods

    MÜNİR CANSIN ÖZDEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN KORKUT

  4. Tez No

    352304

    Bir hava aracı komponentinin dinamik karakteristiklerinin teorik ve deneysel modal analiz metoduyla belirlenmesi

    Determination of dynamic characteristic of an air vehicle's component by experimental and theoretical modal analysis method

    HALİL ULAŞ ŞEKERCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN ORHAN KAYA

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  5. Tez No

    886706

    Çit tasarımı ve gövde oluk yapılarının eksenel ve transonik bir türbinin aerodinamik performansına etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of squealer tip and groove casing treatment on the aerodynamic performance of an axial and transonic turbine

    DİDEM DENİZ KAYABAŞI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

Geri Dön