Acoustic analysis of an underwater glider
Bir sualtı planörünün akustik analizi
- Tez No: 552847
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLGE TUTAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deniz Bilimleri, Gemi Mühendisliği, Marine Science, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Su altı ve su üstü verisi toplama sistemleri teknolojinin ilerlemesi ile birlikte insana bağlı olmaktan kurtulup insansız ve otonom sistemlere yönelmektedir. Bu şekilde zorlu çevre şartları ve ulaşması zor derinliklerin üstesinden gelinebilmektedir. Bu tarz araçlar hem askeri, endüstriyel ve bilimsel amaçlar için özelleştirilebilmekte ve kullanılmaktadır. Bu araçlar en geniş kategoride İnsansız Deniz Araçları olarak bilinmektedir. Daha sonrasında su altı ve su üstü araçları olarak ayrılarak İnsanız Su Üstü Araçları ve İnsansız Su Altı Araçları olarak bölünebilmektedir. Su altı araçları ise kullanım alanlarına ve şekillerine bağlı olarak şekillenerek Uzaktan Kumandalı Su Altı Araçları, Otonom Su Altı Araçları ve Otonom Su Altı Planörleri olarak 3 gruba ayrılabilmektedir. Otonom Su Altı Planörleri kendilerine özel hareket mekanizması ve bu hareket mekanizmasının getirdiği özellikler sayesinde diğerlerinden ayrılmaktadır. Bu araçların en büyük özelliği hacim değişime dayalı hareket sistemleridir. Diğer deniz araçlarında kullanılanın aksine bu araçlarda pervane bulunmamaktadır. Su altı planörleri esas olarak su kolonunda dalış ve çıkış hareketi gerçekleştirir. Çıkış hareketini başlatabilmek için araç içinde bir rezervuarda yer alan hidrolik yağ, pompa yardımıyla aracın dışında yer alan kauçuk bir balona benzeyen yapıya pompalanır. Hacmini değiştirebilen bu yapıya basılan hidrolik yağ aracın toplam ağırlığını değiştirmeden toplam hacmin artmasını sağlar. Bu sayede araç artan kaldırmanın kuvvetinin verdiği ekstra kuvvetle yüzeye doğru hareket eder. Dalış hareketi için ise bu işlemlerin tersi gerçekleştirilir ancak bu işlem pompa kullanılmadan pasif olarak gerçekleştirilmektedir. Böylece enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Araç bahsedilen dalış ve çıkış hareketlerini arka arkaya tekrarlayarak hareket eder. Bu kendini tekrarlayan hareket düzeni testereye benzediğinden dolayı testere dişi adı verilmiştir. Pervane gibi sürekli bir motorun kullanılması gereken sevk sistemi yerine bu tarz bir sevk sistemi seçilmesinin sebebi pillerin kullanımının azaltılarak aracın dışarıdan müdahaleye ihtiyaç duymadan çalışabilme süresini uzatmaktır. Su altı planörleri 6 ay ile 12 arası bir süre boyunca çalışabilmektedir. Bu sayede geniş alanları tarayabilmekte ve 10.000 km gibi büyük mesafeler kat edebilmektedir. Su altı planörlerinin ortalama faydalı yük kapasiteleri 5 kg civarındadır. Bu faydalı yük kapasitesi sensörler için kullanılmaktadır. Görevin ihtiyaçlarına göre CTD, ADCP, PAR, DO, nitrat sensörü gibi sensörler araca yerleştirilebilmektedir. Böylece su altı planörleri su kolonundan istenilen verileri sürekli olarak toplayabilmektedir. Toplanan veriler periyodik olarak su yüzeyinde uydu bağlantısı kurularak kontrol merkezine iletilmekte ve kullanıcıların hizmetine sunulmaktadır. Su altında iletişim kurabilmek için öncelikle ses dalgaları ile iletişim kurulabilen cihazlar yerleştirilmesi gerektiği için genel olarak su altında iletişimin olmadığını varsayabiliriz. Bu nedenle bu işlemler araçta bulunan antenlerin su yüzünden dışarıya çıkartılmasıyla gerçekleştirilmektedir. Su altı planörleri sürekli kontrol merkeziyle iletişim halinde olamadığı için otonom olarak hareket etmektedir. Navigasyon araç içinde yer alan IMU, pusula, basınç ölçer ve altimetre gibi sensörler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Araç su yüzeyindeyken aldığı görev konumuna, GPS'den alınan ilk konum verisi ve navigasyon sensörlerinden gelen verileri birleştirerek ulaşabilmektedir. Pervane gibi bir itki sistemi olmadığından dolayı mevki hassasiyeti pervane kullanan araçlara göre düşüktür ancak istenilen standartları karşılayabilmektedir. Su altı planörleri akustik olarak sürekli hareket eden ve titreşim yayan bir motor kullanılmadığı için oldukça verimli araçlardır. Ancak su altı araçlarında ses kaynağı olarak sadece araç içinde yer alan teçhizatlar gösterilmemektedir. Su altındaki akıntıların ve aracın oluşturduğu hareketin sonucu olarak araç etrafından geçen akım da bir ses oluşturmaktadır. Bu şekilde oluşan seslere akım sesi veya hidrodinamik ses denilebilmektedir ve dikkate alınması gereken bir veridir. Bu tarz araçlarda oluşan toplam ses seviyesine oldukça katkı sağlamaktadır. Bu tezde bir su altı planörünün CFD analizi STAR-CCM+, CFD yazılımı kullanılarak yapılmış ve akustik analizi Ffowcs Williams-Hawkings analojisi Farassat 1A formülü eklenerek yapılmıştır. Türbülans modellemesi URANS türbülans modeli ailesinden k-ω türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. y+ değeri doğrulama ve diğer tüm su altı planörü senaryolarında 50 civarında tutulmuştur. Doğrulama, DARPA Suboff modelinin akustik sonuçlarının literatürde bulunan araştırmalarla karşılaştırılması sonucunda oluşturulmuştur. İlk olarak seçilen CFD parametrelerinin doğruluğu, atılan ağ örgüsünün uyumluluğu ve ağ örgüsü sıklaştırma bölgelerinin doğruluğu aracın deney sonuçlarıyla karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Akustik sonuçlar için ise toplam SPL değerleri ve 0 - 1000 Hertz aralığındaki SPL değerleri karşılaştırılmıştır. Su altı planörü simülasyonları ise 0°, -10° ve 10° atak açılarında gerçekleştirilmiştir. Bunun sebebi su altı planörlerinin gerçek dünya koşullarında ileri hareket oluşturabilmesi için atak açısı ile ilerlemeleri gerekmektedir. Bu sayede kanatlardan geçen akım ile kaldırma kuvveti oluşturulabilmektedir. Bu şekilde simülasyonlarda gerçek koşullar ele alınmıştır. Sonuçlarda, diğer su altı araçlarıyla kıyaslandığında yavaş sayılabilecek bir araç olan su altı planörlerinin dikkate alınması gereken seviyede hidrodinamik ses çıkardığı görülmüştür. Bu sese etki eden önemli parametrelerden biri takıntılardır. Takıntıların uçlarında oluşan uç girdapları akışı bozarak ses seviyesini arttırmaktadır. Analizlerde atak açısı ile gerçekleşen hareketin ses üretimine etkisinin oldukça büyük olduğu görülmüştür. Bunun sebebi atak açısı arttığında hız vektörleri, türbülans kinetik enerjisi, girdaplık ve basınç gibi fiziksel parametreleri değişmesidir. Aracın arkasından x doğrultusunda ilerleyen şekilde yerleştirilen sanal hidrofonlardan ölçülen verilerde 0° atak açısında maksimum değerin 70 dB iken, -10° atak açısında bu değerin 102 dB, 10° atak açısında ise 120 dB'e çıktığı görülmüştür. Ses; monopol, dipol ve quadrupol olmak üzere 3 terime ayrılabilmektedir. FW-H analojisinde ise sırasıyla loading, thickness ve kuadrupole adını almaktadır. Monopol ve dipol terimler yüzeyden oluşmaktadır. Kuadrupol terim ise hacimde oluşmaktadır. Su altı için yapılan akustik analizlerde en önemli katkının monopol terimlerden geldiği görülmektedir. Ancak monopol terimler araçtan uzaklaştıkça hızlıca azalmaktadır ve analizlerin sonuçlarında girdaplığın arttığı bölgelerde kuadrupol terimlerin de önem kazandığı görülmektedir. Fiziksel parametreler aracın dizaynı ve hidrodinamik özellikleriyle birebir ilişkili olduğu için aracın optimizasyonun yapılması ve sensör yerlerinin buna göre belirlenmesi gerekmektedir. Sesin özellikle askeri açıdan önemli olduğunu düşündüğümüzde bu araçların ses seviyesinin azaltılması ve oluşan seslerin anlaşılabilmesi oldukça önemlidir.
Özet (Çeviri)
Buoyancy driven underwater gliders are the unmanned and autonomous vehicles that use buoyancy engine to change vehicle's buoyancy to create a vertical motion by pumping the hydraulic oil to the external bladder from an internal reservoir . This vertical motion transferred to horizontal movement with the flow passing through the wings and hull of the vehicle. This motion mechanism create the most important feature of the vehicle which is high endurance. Endurance of the underwater gliders can reach up to 12 months and can collect data from the ocean with the sensors throughout the expedition. Collected data can be sent to control center periodically with the satellite connection. In this thesis, acoustic analysis of an underwater glider is made using STAR-CCM+ CFD software. Validation of the case, models and parameters are done with the DARPA Suboff model and results from the literature. K-epsilon turbulence model form URANS turbulence model family is used for modelling the turbulence with y+ value selected and set around 50 for both validation and glider cases. Ffowcs Williams-Hawkings analogy is used for the calculation of the flow noise. Glider cases are carried out in 3 different angles of attack as 0° -10° and 10° in 1 m/s flow speed. Selected angle of attacks are generally the maximum angles for the gliders for ascending and descending. Gliders travel with the angle of attack to create a lift force for horizontal movement, to increase the range. Therefore, -10° and 10° angle of attack cases simulate the real life situations of the vehicle. Sound Pressure Level in decibels is compared with the all three angle of attack cases. Monopole, dipole and quadrupole sound terms are analyzed. The results showed that, although the glider is very quiet in 0° angle of attack, increasing angle of attack affects the flow noise production of the vehicle substantially by creating more complex flow topology around the glider. Moreover, physical parameters such as velocity, vorticity, turbulent kinetic energy and pressure change cause variations in the Over All Sound Pressure Level of the regions which means hydrodynamic parameters and design of the vehicles are crucial for acoustic performance. These OASPL values are measured in simulation with virtual hydrophones. Virtual hydrophones are placed according to the flow field and wake zone and elongate to the positive x direction from the back of the glider. Virtual hydrophones are located in 0° angle of attack case and rotated as required to logical comparison for -10° and 10° angle of attack cases. Due to their generic capabilities, gliders are becoming an important part of many naval forces. However, the results suggest that the acoustic properties of these vehicles should be more carefully inspected for military applications. On the other hand, due to newer EU regulations underwater noise is also getting more interest because of its effect on the marine mammals. Therefore, the generated underwater noise from gliders should be more thoroughly considered.
Benzer Tezler
- Denizaltılarda yardımcı makina olarak kullanılmak üzere sabit mıknatıslı senkron makina tasarımı ve akustik analizi
Design and acoustic analysis of a permanent magnet synchronous machine as auxiliary machine for submarines
HALİL ATA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİBEL ZORLU PARTAL
- Hidrografide prezisyonlu derinlik belirlemesi için akustik iskandil ölçülerine getirilecek düzeltme ve indirgemelerin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
DENİZ BAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiJeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİRHAN ALGÜL
- Vibro-acoustic analysis of underwater structures under harmonic excitation
Harmonik zorlama altındaki su altı yapılarının vibro-akustik analizi
RAMAZAN TUFAN AZRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHADIR UĞURLU
- 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
EMRE GÜNGÖR
Doktora
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Sualtı araçlarından yayılan titreşim kaynaklı gürültünün sonlu eleman-sınır eleman metoduyla analizi
Vibro-acoustic analysis of underwater structures using finite and boundary element methods
BURAK ÜSTÜNDAĞ
Doktora
Türkçe
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
PROF. DR. BAHADIR UĞURLU