Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı
Hydro and vibroacoustical solution of underwater vehicles using numerical methods and digital sonar design
- Tez No: 538934
- Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Marine Engineering, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 150
Özet
Bu tez kapsamında sonar izi bırakmama isterinin önemli olduğu jenerik bir sualtı aracı üzerinde hidroakustik ve vibroakustik odaklı sayısal çözümleme gerçekleştirilerek iz bırakım özellikleri belirlenmiştir. Hidrodinamik çözümlemenin gerçekleştirildiği sonlu hacim yöntemleri ve ses yayılımının modellendiği akustik analojiler birarada kullanılarak akışkan ortamındaki ses basınç seviyeleri, ses yönelimi, gürültü spektrumları ve akustik iz bulunmuştur. Bununla birlikte izlenen yöntemin doğrulanabilmesi için literatürde test verisi mevcut olan deneysel çalışmalar ele alınarak uygunluk gösterecek sayısal kurgu oluşturulmuştur. Doğrulama hidro/aerodinamik ve akustik olmak üzere iki aşamaya bölümlendirilmiştir. Eğimli şaft üzerinde homojen olmayan akışa maruz kalarak test edilmiş VP1304 pervanesine ait farklı devir ve hızlarda itme, tork ve verim bilgileri literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada çalkantı Büyük Girdap Benzetimi (LES) ile modellenmiş olup kayar ağ yöntemi kullanılarak akış sonlu hacim yöntemi ile sayısal olarak çözülmüştür. Yapısal olmayan tetrahedral şekilli üç boyutlu uzaysal ayrıklaştırmalar yoğun ağ örgüsü ile gerçekleştirilmiştir. Sayısal ve test sonuçları birlikte değerlendirildiğinde tüm çalışma noktalarında maksimum yüzde 8 hata ile kestirim yapılmıştır. Böylelikle sualtı aracının ardında bulunan akış iz profilinin yüksek doğruluk ile modellenebileceği gösterilmiştir. Dümenler akışı bozan özellikte olduğundan dolayı araç yağmur oluğuna ait olan test verisi, sualtı aracının hidrodinamik olarak sayısal benzetim öncesinde yöntemin doğrulanması anlamında kullanılmıştır. Belli bir akışa maruz kalan araç yağmur oluğu üzerinde sayısal benzetim yapılmıştır. VP1304 pervanesinde kullanılan sayısal parametreler ve teknikler burada da uygulanarak elde edilen sonuçlar test verileri ile karşılaştırılmıştır. Yüzeylerde oluşturulan sınır tabaka kalınlığı küçük tutulmuştur. İkinci derece ayrıklaştırmalar tercih edilmiştir ve basınç tabanlı çözücü kullanlmıştır. Oluk çevresine belli aralıklarla yerleştirilmiş olan basınç ölçerler aracılığı ile elde edilmiş boyutsuzlaştırılmış basınç verisi, sayısal sonuçlar ile karşılaştırıldığında bir basınç ölçer hariç birbiri ile örtüşen mükemmele yakın uyum gözlemlenmiştir. Ayrışma gösteren algılayıcı verisi azami yüzde 15 mertebesinde farklılıklar göstermiştir. Hidrodinamik anlamda yeterli doğrulukta netice alındıktan sonra akustik çözümlerin doğruluğunu sınamak için test verileri mevcut olan deneysel çalışmalardan faydalanılmıştır. Hidrodinamik ve akustik ölçekleri birbiri ile büyük oranda farklılık gösterdiği için, ses yayılımını hesaplamalı aeroakustik ortamda modellemek ve Doğrudan Sayısal Benzetim (DNS) kaynak bilgisi toplayarak gürültü tahmini yapmak endüstriyel akışlar için ne yazık ki mümkün değildir. Bunun yerine Lighthill, Ffowcs Williams Hawkings (FWH) ve Curle gibi bazı akustik analojilerden faydalanılmıştır. Bu analojiler ile ses yayılım denklemi önceden elde edilmiş ses kaynak bilgisi kullanılarak çözülmüştür. Monopol, dipol ve quadrupol olarak sınıflandırılan ses kaynakları sayısal akışkanlar dinamiği kullanılarak elde edilen çözümlemeler ile rahatlıkla bulunabilmektedir. Bu maksatla oldukça küçük zaman adımları ile yüksek yoğunluklu ağ örgüsü kullanılarak çözümleme gerçekleştirilmelidir. Aynı zamanda, akustik ayrıklaştırma derecelerinin yeterliliği sınır şartlarının doğru tanımlanması ve hidro/aerodinamik benzetimlerin uygunluğu kritik öneme sahiptir. Bu aşamada ilk olarak silindir üzerinde gelişen bir akışın, uzak alan akustik yöntemi kullanılarak elde edilen test verilerinin doğrulama amacıyla faydalanıldığı, akustik benzetimler gerçekleştirilmiştir. Yine benzer şekilde sıkı ağ örgüleri ile ayrıklaştırılan üç boyutlu silindir yapısının üzerindeki basınç bilgisi kaynak terim olarak ses yayılım denklemine gömülmüş ve FWH analojisi yardımı ile akustik alan çözülmüştür. Belli uzaklıklara yerleştirilmiş olan mikrofonlar aracılığı ile dinleme yapılmış ve kayıt tutulmuştur. Frekans alanında kayma gerçekleştiği için ölçeklendirme yapılmış ve ses basınç seviyeleri test verisi ile karşılaştırılmıştır. Doğrudan çözüm tekniği oldukça tutarsız sonuçlar vermesine karşın FWH analojisinin çıktıları test ile örtüşmektedir. Bir sonraki aşamada, belli bir hızdaki akışa tabi tutulan yağmur oluğu üzerinde zamana bağlı değişen basınç bilgisi hidro/aerodinamik doğrulama sürecinde elde edilmiş ve kaynak bilgisi olarak akustik çözücüye taşınmıştır. Hibrit Lighthill tekniği ile sayısal modelleme gerçekleştirilerek akustik spektrum elde edilmiştir. Sonuçların tatminkar doğrulukta olduğu gözlemlenmiştir. Buraya kadar elde edilen birikim, VP1304 pervanesinin kavitasyon tüneli içinde çalışırken üç adet hidrofon yardımıyla algılanan gürültüsünün modellenmesinde kullanılmıştır. Hesaplamalı akışkan benzetimi ile akustik çözümleme hibrit olarak birbiriyle ilişkilendirilmiştir. FWH analojisi tercih edilerek sonuca gidilmiş ve Hızlı Fourier Dönüşümünden (FFT) faydalanılarak kanat geçiş frekansları ve harmonikleri ortaya konmuştur. İkinci algılayıcıya ait birinci harmonik bilgisi büyük oranda ayrışma gösterirken, algılayıcılardaki ikinci ve üçüncü harmonikler tatmin edici çözünürlükte hesaplanmıştır. Kavitasyon tüneli duvarlarının ölçüm yapılan alana yakın olması ve ses yansımalarının etkisi ile sinyal verisinin baskılanması sonuçlara etki edebilecek olumsuz bir faktör olabileceği değerlendirilmiştir. Hidrodinamik ve akustik doğrulamalar sonucunda sualtı aracı üzerinde hidroakustik çalışma gerçekleştirilmiştir. Jenerik bir yapıya sahip olan sualtı aracı modeli iki adet ters yöne farklı devirlerde dönen pervaneden ve dümenlerden oluşmaktadır. Yapıların birbiri ile etkileşim halinde çalışıyor olması ve basınç etkileşimlerinin yoğun yaşanması akustik modellemeyi zorlaştıran unsurlardır. Bu nedenle LES ile üç boyutlu zamana bağlı ikinci dereceden akış analizi gerçekleştirilmiştir. Yine daha önce söz edildiği gibi Kayar Ağ yöntemi sayesinde pervanelerin dönmesi modellenebilmiştir. FWH ve Lighthill benzeşimleri hibrit olarak hidrodinamik kaynaklara iliştirilmiş ve neticede akışkan ortamındaki ses yayılımı bulunmuştur. Gövde ve pervaneler için ayrı ayrı spektrum dağılımı, ses yönelimi ve akustik iz sınıflandırması yapılmıştır. Gürültü kaynaklarının nereden gelebileceği ile ilgili sanılar ve değerlendirmeler yapılmıştır. Vibroakustik çoğu uygulamada baskın gürültü olarak karşımıza çıktığı için sualtı aracına gürültü yapabilecek yapay kuvvetler uygulanmıştır. Doğrudan yapısal ve akustik çözüm birbiri ile ilişkilendirilerek sistemdeki titreşimin neticesinde ortamda oluşabilecek gürültü karakteristiği bulunmaya çalışılmıştır. İşlemci ve bellek kapasitesi Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) uygulamalarında oldukça önemli olduğu için en yüksek frekans seviyesi 2 kHz civarına sınırlanarak sonuca gidilmiştir. Farklı frekanslara ait genlikler oktav banttan faydalanılarak bulunmuş ve orta bantta oldukça yüksek genlikler gözlemlenmiştir. Bu nedenle keyfi oluşturulmuş olan yapay titreşim verisine ait tahrik deplasmanlarının yüksek mertebede seçildiği sonucuna varılmıştır. Hidroakustik ve vibroakustik olarak alıcı noktalarında gürültü tayini yapılabildiği için dijital sonar tasarımında bu bilgilerden faydalanılarak gürültü benzetimi yapılmıştır. Belli koordinatlarda bulunan iki adet kaynaktan, keyfi seçilmiş düzlemsel sonar dizini üzerine planar ses dalgası gönderilmiş ve sinyal yönlendirmesi yapılarak hüzmelendirme ile sesin geliş yönü tayin etmek için algoritma geliştirilmiştir. Gelen sinyalin istenilen doğrulukta yönü tayin edilebildiğinden sualtı aracının gürültü verisi üzerinde çalışılmış ve geliş yönü akustik iz bilgisinden bulunmaya çalışılmıştır. En yüksek frekans limitlendiği için sonar boyutları büyütülmek zorunda kalmış ve 3 kHz civarında geleneksel yöntemlerle faz kaydırmalı huzmelendirme tekniğine başvurulmuştur. Dijital sonar tasarımı herhangi bir donanım elemanı temelli oluşturulmamış huzmelendirme algoritması ve sinyal işleme üzerine odaklanılmıştır. Hibrit olarak elde edilmiş hidro-vibroakustik bilginin sonar tasarımı için sinyal girdisi olarak kullanılabileceği ve oluşturulmuş huzmelendirme algoritmasının su altı aracının geliş yönünü büyük doğrulukla saptamada faydalanılabileceği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
In this thesis, using numerical solvers, the hydroacoustical and vibroacoustical calculations are performed for a generic underwater vehicle and its propulsion system. Sound pressure level, sound directivity, acoustical spectrum and acoustical patterns are investigated with the aid of a finite volume method and hybrid acoustical analogies such as Lighthill, Curle and Ffowcs Williams Hawkings (FWH) method. In order to validate these calculation tecniques, the results are compared with test cases in which pressure data was obtained using pressure transducers and microphones. Due to the cost and time requirements, Computational Fluid Dynamics (CFD) codes are exploited in that the analyses are performed to obtain the accurate solutions as much as possible. Although experimental tests are trustworthy for many cases, they also consist uncertainties and, thus, a special afford was given in certain applications to keep test errors in a margin. In order to tune the CFD tools for the analysis of new designs, the solver settings and preferences in software should be validated against experimental results obtained in thefacilities which are arranged for almost similar applications. So as to determine proper solver type, discretization schema, mesh size and turbulence model, the validations are performed in two step, namely hydro/aerodynamical calculations and acoustical solutions. A single propeller VP1304 on an inclined shaft was simulated, which is subjected to an inhomogenous flow at different rotation rates and inflow velocities. The thrust, torque and efficiency curves have been obtained from the literature. Regarding to these testcases, Large Eddy Simulation (LES) has been implemented to solve turbulence quantities and filter large eddies in equations. The propeller rotation is simulated using sliding mesh technique in which the mesh is dynamically rotating at a specified time step. Spatial discretization with tetrahedral unstructured mesh is generated on fine cells at three dimensional flow domain. In the testcase of numerical study, propeller is located at center of the computational domain with boundaries set as the velocity inlet, pressure outlet, symmetry and no slip wall conditions. Optimum mesh size is determined on the basis of both computing time and spatial resolutions resulted for different mesh cases. The rotation of propeller is achieved by using moving reference frame in which flow is circulated around axis instead of rigid body rotation. Discretization scheme was second order. Thrust and torque results in experiment of testcases are taken into account and compared with those of numerical outputs. They are matching well in the region of on- and off-design conditions with a maximum error percentage of 8. Thus, it is validated that propeller attached on an aft body of an underwater vehicle can be simulated with high accuracy in an inhomogenous flow. A numerical calculation on a raingutter is performed in order to compare pressure data obtained in the numerical calculations with the data from the experimental case. Boundary layers are generated fine enough that y+ value is lower than three. The same parameters and solver settings in the propeller calculation are implemented in this case. The nondimensionalized pressure data obtained at different sensor around raingutter shows that the results are matching sufficiently good with the test except for one pressure sensor. The discrepancy on that sensor is found around fifteen percent. It has been shown that numerical simulation can be accurately obtained for the flow around underwater vehicle, which has large pressure gradients and pressure stagnation point. Besides, the pressure data obtained by the farfield sensor are used as an acoustical testcase for the validation of acoustical calculations. The turbulent scales of hydrodynamics and the large wavelengths of sound propagation are well different from each other. Therefore, the calculation of sound propagation is not trivial in engineering application where Direct Numerical Simulation (DNS) is required while obtaining the pressure at each point in the flow. Hence, DNS is not applicable to most industrial flows because of necessity of high computing power. Instead, the flow solutions with a high mesh and low time step can be exploited with an acoustical analogy formulation in a hybrid hydro/vibroacoustical study. In order to attain accurate results in acoustical solutions, validations are performed using available experimental data on sound propagation at the nearfield and farfield. The mesh cell size, boundary conditions, hybrid acoustic solver are investigated through some testcases, as for example flow around cylinder, farfield sound propagation through raingutter, pressure pulses resulted from single propeller VP1304. In those cases, monopole, dipole and quadrupole source terms are attained from CFD calculations to couple them with acoustical solutions. The results of the hybrid noise prediction method are presented here to show the acoustical properties of a three-dimensional flow around a cylinder. Although investigation of the acoustical spectrum around a cylinder is a simple case, it shows the potential of the method of coupling the flow sources and acoustical formulations. Besides, Direct Method (DM) and FWH analogy are compared with respect to the spectrum predictions. In this test-case, an unsteady LES solver which is coupled to a wave propagation model based on FWH acoustic method and DM is used to predict the far-field spectra of flow over a cylinder. The flow-generated sound sources (monopole, dipole, quadrupole) are calculated to examine the suitability of the LES methodology. The results show strong attenuation of turbulent structures occurring in the far-field. They also indicate that it is not so easy to capture the small scales by using the LES formulation. On the other hand, although the number of samples used in Fourier transformation is not sufficiently high, the harmonics of the pressure waves are well matched, and the amplitudes of sound pressure levels are in good agreement with the peak values in the low end. The only shortcoming in the present computational setup was the mesh resolution in the far-field which is apparently not enough to capture the fine turbulent scales accurately at remote locations. A testcase in the literature about thin backward facing elbow was mounted on a flat plate and sound pressure signal was measured at a distance in the test setup. The pressure was presented at the axial locations with the intervals to observe a consistency with measured flow data. Except for the locations just after the rain-gutter where strong separations and large scales occur, the pressure coefficients are in good agreement. Thus, the acoustic information in time domain can be accepted as accurate to evaluate spectrum range. It is concluded that there is no specific vortex street visible and, thus, the broadband noise is apparent in spectrum range. The results from numerical model do not precisely follow the test data at the mid region, though they overlay each other at the lower and upper spectral bands. In the other testcase, the propeller-induced pressure pulses at the three sensor locations were measured in the cavitation tunnel by Potsdam University. The blades produced a source, which was obtained from the flow calculations over one revolution. First three harmonics were predicted in frequency domain. The significant issue is that the overall BPF (Blade Passing Frequency) level is related to the monopole terms resulting from the movement of blades in the flow domain. Additionally, the dipole terms are contributing from the dynamic loading on the blades. In this study, the first three harmonics of the fluctuations were investigated and compared with respect to those of the experimental data. It is clear that for non-cavitating cases, the calculations seemed to underpredict the harmonics observed in the experiments. The first and second locations were close to the blade tip and, therefore, the amplitudes of the fluctuations are much higher. Except for the first harmonic of the second sensor, the results seem to be matching well with test data. The determining factors on those pulses are mainly the blade passing rates and pressure dominated dipole sources on the moving surfaces. The third harmonic was difficult to distinguish for all receivers in the CFD data. The generic underwater vehicle body with a 5 meters length was supposed to be propelled by the counter rotating propellers (CRP), which rotated with a specific design rpm. The vehicle speed was 15.42 m/s while the CRP with 7-bladed forward and 5-bladed aft propeller was rotating at 600 rpm and 550 rpm, respectively. For that, an unstructured tetrahedral mesh was generated with around 20 million cells with 8 layers attached on the blade surfaces. Pressure based LES calculations were implemented using similar schemes as before. The time required to establish a converged solution at one revolution step was around 2 minutes in real-time which takes 0.6 seconds in simulation time to complete 5 revolutions. The time step-size was selected around 2.77E-04 sec in order to achieve frequency range up to 1800 Hz maximum where the resolution of bandwidth was around 1 Hz. The sound pressure level from pressure transducers located at different locations, sound directivity around vehicle, acoustical pattern is investigated by hydroacoustical calculations. The contributions of different vehicle sound source on the spectrum are observed and classified with respect to their frequency levels. Regarding to the spectrum of the CRP system, the blade passing frequency, which is the dominant characteristic in spectral density of the rotating system, was well represented. The harmonics and tonal noises were also clearly identified in the low band but, since the length scales of the sound and the turbulence are fairly separated, the far-field acoustics at higher frequencies than 1800 Hz could not be properly resolved with the hybrid approach used in the present investigation. The calculations showed that the spectra for the body and the propeller were separately resulted from feeding into the FWH formulations. Moreover, contributions of the rudder, the cap, the hub, the blade tip on the noise were examined using power spectral density. On the other hand, vibroacoustic is very dominant for the vehicle-propagated sound. Therefore, some synthetic excitations of displacement are produced representing different types of failure on bearings and misalignment on shaft. Structural response of those generated excitations are determined directly coupled with acoustical solutions. Without considering the mode shapes, acoustical velocity on the excited surfaces are used as a boundary condition in the formulation of sound propagation mechanism. Moreover, the vibroacoustical characteristics are illustrated in the octave band spectrum which shows that there are high amplitudes in the most of the frequency range. Therefore, it might be concluded that synthetic displacements are so high that they can not be damped in structural modes. On the other hand, damping is not modeled in the simulation process, which might be the reason of high amplitude peaks appeared in high frequency ranges. In terms of digital sonar design, CFD and acoustical calculations are both used to simulate the acoustic source which has a specified orientation. The main aim of the design is to build algorithm based on conventional beamforming method while considering all the required digital signal processes. At a starting point, two types of simple sound wave from different sources is sent to planer sonar array. With the aim of orientation detection of the underwater vehicle, beamforming algorithm is built and tested with those simple sound waves. The high accuracy on the target orientation has been observed in the sonar simulations. The design is, however, limited to the consideration of the physical aspects and the beamforming algorithm coupled with the numerical hydro/vibroacoustical simulations without considering electronical subparts. The filtering, signal conversions and wave vectors are processed in the range of 3 kHz due to the limited capacity of the hydrodynamical calculations. However, the algorithm would be more efficient at the higher frequency ranges by decreasing the sonar size and the damping the sublobes in the beamforming. By this way, the sound source might be replaced by a real sonar data or with the CFD pressure signal in the higher frequency range obtained with a much lower time-step size.
Benzer Tezler
- Design as making: Integration of design development and fabrication through human-computer interaction
Yaparak tasarlama: insan bilgisayar etkileşimi ile tasarım ve imalat süreçlerini bütünleştirme
SERDAR AŞUT
- A numerical investigation into the effect of the vertical tapered winglets on fully-submerged hydofoils
Dikey kanatçıkların tamamen batmış sualtı kanatlarına etkilerinin sayısal yöntemle incelenmesi
ARAS ÇETİNKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
- Numerical simulation of hydrodynamic planar motion mechanisim test for underwater vehicles
Su altı araçları için düzlemsel hareket mekanizması testinin sayısal olarak modellenmesi
MUSTAFA CAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN EYİ
- Terrain referenced navigation of an aircraft using particle filter
Parçacık filtre ile bir hava aracının yeryüzü referanslı navigasyonu
BURAK TURAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ TÜRKER KUTAY
- Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
Investigation of cavitation phenomenon in horizontal axis marine current turbine by experimental and nonlinear numerical methods
MEHMET SALİH KARAALİOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL