Numerical investigation of flow around a submarine by openfoam and ansys fluent
Bir denizaltı etrafındaki akımın openfoam ve ansys fluent ile sayısal olarak inclenmesi
- Tez No: 633679
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
DARPA (The Defence Advanced Research Projects Agency) tarafından 1980 yıllarında çalışılmaya başlanan denizaltı teknolojisini ilerletmek için SUBOFF programında kullanılan 8 çeşit farklı geometriye sahip denizaltı modeli tanımlanmıştır. Bunlardan ilki AFF-1 model geometrisi sadece eksenel simetrik bir gövdeye sahiptir. Diğer modeller ise dümen, kule gibi takıntıların modele bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Bu modeller hava ve su tünellerinde farklı Reynolds sayılarında incelenerek deneysel çalışmalar yapılmış ve açık kaynak olarak paylaşılmıştır. Bu sayede hidrodinamik alanında ilgilenen araştırmacılar bu modelleri ve özellikleri kullanarak HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) çalışmaları yürütmüştür. Modellerle ilgili deneysel veriler bulunduğu için yapmış oldukları HAD çalışmaları doğrular nitelikte bulunmaktadır. Birçok araştırmacı türbülans modellerini kullanarak yüksek Reynolds sayıları üzerine çalışmalar yürütmüştür. Bu çalışmalar, HAD' nin Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) denklemlerini temel alan birçok programda yürütülmektedir. Programlardan aldıkları sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırdılar. Buldukları sonuçların tutarlılıklarını ve doğruluklarını kanıtladılar. Bu araştırmalar yapılırken, genellikle model geometriler araştırmalarda kullanılır. Çünkü tam ölçekli geometrilerin HAD tabanlı simülasyonlarda analizleri yapılırken sonuçlarını almak çok zaman alır. Bu yüzden model geometriler tercih edilir ve model geometriden tam ölçekli geometriye geçiş için bulunmuş olan ekstrapolasyon teknikleri mevcuttur. Örneğin direnç hesaplarında kullanılan ITTC teknikleri bunlardan biridir. Bu tezde, DARPA SUBOFF model geometrileri kullanılmıştır ve analizleri yapılmıştır. Kullanılan model geometriler DTRC-5471 (AFF-1) ve AFF-8 adlarında olan model geometrilerdir. AFF-1 model geometrisi sadece çıplak tekneden oluşmaktadır yani takıntısızdır. AFF-8 model geometrisi ise çıplak tekne ve takıntılardan meydana gelmektedir. Takıntılar dört dümen ve kuleden oluşmaktadır. DARPA SUBOFF geometrileri ile ilgili HAD çalışmalar olduğu gibi deneysel çalışmalarda olmuştur. Tezde kullanılan ve bulunan sonuçların kıyaslanması için Robert F. Roddy'nin yapmış olduğu deney temel alınmıştır. Bu deneyde bir çok DARPA SUBOFF geometrilerinin tek bir hız değerinde drift açılarına bağlı x, y ve z kordinatlarındaki toplam kuvvet değerleri hesaplanmıştır ve grafikleri boyutsuz olarak çizdirilmiştir. Bu grafiklerin kullanılmasındaki amaç grafiklerde bulunan drift açılarının tepe noktalarındaki değerler belirlemektir. Analizlerdeki sonuçları her açıda incelemek yerine bu açılardaki sonuçlarla kıyaslamaktır. Karşılaştırılan sonuçların hata değerleri hesaplanmıştır. Akış modelinin tutarlılığı doğrulanmıştır. Bu tezin amacı belirtilen model geometriler kullanılarak Ansys Fluent ve Open Field Operation and Manipulation (OpenFOAM) programlarında sürüklenme (drift) açılı ya da açısız durumda HAD analizleri yapılarak programların kendileri ile kıyaslanması ve elde edilen sonuçların tutarlılıkları için deneysel ve yayınlanmış diğer sonuçlarla kıyaslanmasıdır. Bu tezde analizler yapılırken daha önce yayınlanmış olan ve bu konu hakkında çalışılmış olan yöntemlerden yararlanılarak“domain”seçimi yapılmıştır. Buna göre üç çeşit çözüm ağı kullanılmıştır. Bunlar seyrek çözüm ağı, orta sıklıktaki çözüm ağı ve sık çözüm ağıdır.“Domain”üzerinde kullanılan farklı çözüm ağları yapılan analizlerin yakınsamasına ve eleman sayısına bağlı olarak adlandırılmıştır. Model geometrileri üzerinde uygun sınır tabaka kalınlıkları belirtilmiş olan formüllerle hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar belirlenmiş olan Reynolds sayılarına göre yapılmıştır. İlk sınır tabaka kalınlığı ise kullanılan y+ değerine göre hesaplanmıştır. Y+ seçimi ise analizleri yaparken kullanılan türbülans modeline göre yapılır. Çünkü geliştirilmiş türbülans modelleri uygun y+ aralıklarında çalışmaktadır ve bu sayede bulunan sonuçlar deneysel sonuçlarla veya yayınlanmış olan makalelerdeki sonuçlarla kıyaslandığında sonuçların tutarlılığı ile değerlendirilebilinir. Bu tezde, belirlenen“drift”açısında ve y+ değerinde, Ansys Fluent programındaki analizlerde,“k-epsilon”ve“k-omega Shear Stress Transport”(SST) türbülans modelleri kullanılmış ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. OpenFOAM programında ise“k-omega SST”türbülans modeli kullanılmıştır ve elde edilen veriler deneysel sonuçlar ile Ansys Fluent programındaki analizlerin sonuçları kıyaslanmıştır. Bu analizler öncelikle tek bir drift açısı ile yapılmış ona göre uygun olan türbülans modeli belirlenmiş ve diğer drift açılarında tekrarlanmıştır. Ansys Fluent programında AFF-1 ve AFF-8 model geometrileri kullanılmıştır. Analizlerde k-omega SST türbülans modeli kullanılmıştır. Drift açıları olarak 0 ile 18 derece arasında uygun olan açılarda analizler yapılmıştır ve direnç sonuçları deneysel sonuçlarla ve yayınlanmış olan diğer sonuçlarla ile kıyaslanmıştır. AFF-1 model geometrisi için Ansys Fluent programında yapılan analizlerin sonuçları ve gerekli kıyaslamalar neticesinde, 0° ile 18° arasında bulunan sürüklenme açılarda hata değerlerinin %8.5 ile %1.5 arasında değiştiği bulunmuştur. Burada x yönündeki toplam direnç değerleri göz önüne alınmıştır. AFF-8 model geometrisi kullanılark yapılan analizler neticesinde ise 0° ve 10° drift açıları arasında bulunan açılarda hata değerlerinin %11 ile %8 arasında çıktığı tespit edilmiştir. Yine, burada da x yönündeki toplam dirençler göz önüne alınmştır. 10° ve 18°“drift”açılarında yapılan analizlerin ise hata değerleri deneysel sonuçlarla kıyaslandığında x yönündeki toplam dirençler açısından daha yüksek çıkmıştır. Bu analizler bir kaç defa farklı iterasyonlarda tekrarlanmıştır, ancak sonuçların çok değişmediği gözlenmiştir. Hatanın neden kaynaklı olduğu araştırılmıştır. Bu araştırmalar yapılırken direnç grafikleri çizdirilmiş ve bu grafiklerde osilasyonlar meydana geldiği görülmüştür. Bu osilasyonların genlikleri hesaplanmıştır ve ona göre hangi direnç bileşeninden kaynaklandığı saptanmıştır. Osilasyonların büyük sebebi basınç kaynaklı kuvvetlerden geldiği grafiklerden anlaşılmıştır. 18° için bulunan sonuç yayınlanmış olan makale ile kıyaslanmıştır ve makaleye göre bu hatanın sebebi olarak takıntılardan kaynaklı oluşan girdaplardan meydana geldiği bulunmuştur. OpenFOAM programında ise sadece AFF-1 model geometrisi incelenmiştir. OpenFOAM programında yapılan analizlerin sonuçları ve gerekli kıyaslamalar neticesinde, 0° ile 18° arasında bulunan sürüklenme açılarda hata değerlerinin %7.4 ile %0.98 arasında değiştiği bulunmuştur. Kıyaslama yapılırken x yönündeki toplam direnç değerleri ile kıyaslanmıştır. 0° ile 18° açıları özellikle seçilmiştir, çünkü elde edilen sonuçlar hem Ansys Fluent sonuçları ile hem de deneysel sonuçlarla ve de makalede kullanılan farkı türbülans modellerinin, kullanılan açılardaki toplam kuvvet değerleri ile kıyaslayabilmek mümkün olmuştur. Bütün kuvvet değerleri boyutsuzlaştırılarak kıyaslanmıştır.
Özet (Çeviri)
The aim of this thesis is to examine the flow characteristics around a submarine numerically by Open Field Operation and Manipulation (OpenFOAM) and Ansys Fluent with and without drift angles, and compare the results with those of experiments. The numerical studies have been carried out by Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations of Computational Fluid Dynamics (CFD). The Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) SUBOFF model geometries have been used in the thesis. These geometries are DTRC-5471 (AFF-1) and AFF-8. While AFF-1 geometry is the barehull, AFF-8 geometry has appendages. The results are compared with eachother for different turbulence models. These turbulence models are k-epsilon and k-omega Shear Stress Transport (SST). In the Ansys Fluent solution, the geometries of AFF-1 and AFF-8 have been studied with and without drift angles. The results are compared with those of experiments. The errors for AFF-1 barehull submarine model, including 0° and 18° drift angle have been found between 8.5 percent and 1.5 percent in the x-direction, respectively. For AFF-8 geometry, the errors have been calculated between 11 percent and 8 percent respectively, including 0° and 10° of drift angles in the x-direction. For drift angles between 10° and 18°, the error is relatively high in the x-direction. The reason of this has been discussed. In the OpenFOAM solution, the errors for AFF-1 barehull submarine model, including 0° and 18° drift angle have been found between 7.4 percent and 0.98 percent in the x-direction, respectively. The total resistance values and residuals of the AFF-1 geometry used in OpenFOAM and Ansys Fluent converged. The total force values at 0° and 18° in x and y direction were compared with the results of the different turbulence models used in the article. By checking out at the oscillations in the force graphes, it was found that which force values at drift angles caused more errors. Oscillations were found to occur mostly by pressure forces. All force values have been studied as dimensionless. The error percentages were compared with the experimental results and calculated accordingly.
Benzer Tezler
- Serbest su yüzeyine yakın derinlikteki denizaltının manevra sorunlarının incelenmesi
Investigation of maneuver problems of submarines close to the free surface
KAĞAN YÜCE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DEVRİM BÜLENT DANIŞMAN
- Bir cisim etrafındaki sualtı akış gürültüsünün teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Therotical and experimental investigation of underwater flow noise around submerged bodies
SERTAÇ BULUT
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Kanat profilleri izler kenarına çentik uygulamasının akış gürültüsüne olan etkisinin hesaplamalı olarak incelenmesi
Investigation of airfoil self noise with trailing edge serrations using computational methods
ÇAĞRI AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
- Yüzeylerinden düzgün üfleme yapılan kare kesitli silindir etrafındaki akışta aerodinamik özelliklerin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the aerodynamic parameters in the flow around a perforated square cylinder with uniform injection
AHMET ÖMÜR TURHAL
Doktora
Türkçe
2008
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHAN ÇUHADAROĞLU
- Torpido benzeri geometri çevresindeki akış yapısının araştırılması
Investigation of flow structure around torpedo like geometries
SERCAN YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FARUK KÖSE