Vibro-acoustic analysis of underwater structures under harmonic excitation
Harmonik zorlama altındaki su altı yapılarının vibro-akustik analizi
- Tez No: 684650
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BAHADIR UĞURLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim 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: 85
Özet
Konsept tasarım aşamasında akustik yayılımın tespiti, genel bir eğilim olarak ampirik ve yarı ampirik yöntemlerle tahmin edilmeye çalışılıyor olsa da teknolojinin gelişmesiyle birlikte özellikle yatlar, yolcu gemileri, askeri gemiler, yolcu uçakları, askeri uçaklar vb. gibi gürültü açısından kritik tasarımlarda ampirik tahminin ötesinde bir yaklaşıma ihtiyaç duyulması nedeniyle, akustik yayılımın tespitinde deterministik yöntemler önem kazanmıştır. Deneysel çalışmaların pratikte zahmetli, yüksek maliyetli ve çok zaman alıyor olması, bilgisayar teknolojisinin hızlı gelişmesinin de etkisiyle, hesaplamalı yöntemleri gürültü tayini ve tahmini için önemli bir araç haline getirmiştir. Bu hesaplamalı yöntemler, ilgilenilen problemin doğasına göre çeşitli şekillerde uygulanabilmektedir. Bu tezde ele alınan gürültü problemi, su altı yapıları üzerinedir. Temel hedef ise denizaltı yapıları için bir yaklaşım ortaya koymaktır. Gizli operasyonlarda önemli bir silah olan denizaltılar, üst düzey gizlenebilme yetenekleri ile donanmanın önemli bir üyesidir. Bir denizaltı önemini iyi gizlenebilirlik özelliğine borçluyken, sürekli gelişen radar sistemleri ile tespit edilebilirlik, denizaltılar için çok önemli bir tehdittir ve olmaya devam edecektir. Bu nedenle gürültü, bu tür yapıların tasarım aşamasında dikkate alınması gereken en önemli parametrelerden biridir. Pervane ile tahrik edilen klasik tipte bir su altı aracından yayılan gürültü kaynakları temel olarak pervane gürültüsü, makine gürültüsü ve hidrodinamik gürültü olarak sınıflandırılabilir. Bunlardan pervane ve makine gürültüsü uzun yıllardır incelenmekte ve sayısız çalışma içermektedir. Bu çalışma kapsamında ise, hidrodinamik basınç kuvvetleri tarafından zorlanan bir yapının buna bağlı titreşim gürültüsünün sayısal kestirimi hedeflenmiştir. Hidrodinamik gürültü, çoğunlukla su altı yapısının rijit bir yapı olduğu varsayımıyla hesaplanmaktadır. Akış gürültüsü olarak bilinen bu gürültü tayini yaklaşımı Lighthill'in akustik analoji teorisine dayanmaktadır. Bu yaklaşımda, akustik yayılıma sebep olmasına rağmen yapının dinamik cevabı hesaba katılmamaktadır. Bunun neticesinde yaygın olarak kullanılan bir yaklaşım olarak Lighthill'in analojisine dayanan Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) denklemlerinin çözümü gerçek değerin altında kalmaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada yapının elastik olarak kabul edildiği bir akışkan-yapı etkileşimi yaklaşımının benimsendiği vibro-akustik problemi ele alınmıştır. Vibro-akustik problem, bir akışkan ortamı ile elastik bir yapı arasında gerçekleşen dinamik etkileşimi inceler. Su altı yapıları için, yapının titreşimi neticesinde akışkan alanında oluşan basınç dalgalanmalarının belirlenmesi bir vibro-akustik problemdir. Küre veya sonsuz bir silindir gibi basit geometrik şekiller için bu etkileşim problemini analitik olarak çözmek mümkün olsa da karmaşık bir geometri için sayısal bir yaklaşım gereklidir. Bu noktada, yapının sonlu elemanlar metodu ile, akışkan / akustik alanın ise potansiyel akış varsayımları altında sınır eleman metodu ile modellenerek birlikte çözülmesine dayanan bir sayısal yaklaşım benimsenmiştir. Akışkan ortamındaki akustik basınç dalgasının yayınımını temsil eden temel dalga denklemi, zamanla harmonik kabuller altında Helmholtz denklemine indirgenmiş ve bu denklemin üç boyutlu sınırsız izotropik ortam için temel çözümünden yararlanılarak statik ve dinamik temel çözümler arasında kurulan ilişkiyle, akustik bölge içindeki bir noktanın basınç değerini, yapının sınır yüzeyindeki basınç ve türevleri ile ilişkilendiren Kirchhoff-Helmholtz integral denklemi elde edilmiştir. Uygulanabilmesi için yapının yüzeyi boyunca basınç dağılımı ve basıncın normal türevlerinin biliniyor olmasını gerektiren bu denklem, hesaplama noktasının problem bölgesinden sınır yüzeyine taşınması ve Sommerfeld radyasyon koşulunun uygulanması ile sadece sınır değerleri cinsinden ifade edilerek dış akustik problemine uyarlanmıştır. Bu sınır integral denkleminin düzgün olmayan geometrik yapılar için çözümü nümerik yaklaşım ile mümkündür. Yapının yüzeyi, çözüm elemanları kullanılarak ayrıklaştırılır ve denklemdeki basınç ile türev ifadeleri şekil fonksiyonları yardımıyla düğüm noktalarında hesaplanan değerler cinsinden belirlenir. Böylece dış akustik problem için elde edilen sınır integral denklemi, sınır elemanlar yöntemi kullanılarak ayrıklaştırılmış ve basınç ile onun türevleri arasındaki ilişki bir lineer denklem sistemine dönüşmüştür. Bir yapının dinamik davranışını ifade eden ayrıklaştırılmış hareket denkleminin, sönüm etkilerinin ve dış kuvvetlerin olmadığı sönümsüz serbest titreşim hareketinin özdeğer problemine dönüşmesiyle elde edilen çözümde, yapının dinamik karakteristikleri olan doğal frekanslar ve bunlara karşılık gelen doğal titreşim modları belirlenir. Yapının dinamik davranışı her bir doğal moda karşılık gelen davranışlarının toplamı olarak verilir. Bu noktada, belirli frekans aralığı ve yakınsaklıkta alınan toplam doğal mod sayısına uygun bir çözüm kümesi oluşturulmuştur. Akışkan-yapı arayüzü üzerinde kinematik sınır şartı kullanılarak yapı-akışkan ortak davranışı ifade edilmiştir. Hareket denklemi ve ayrıklaştırılmış sınır integral denkleminin birlikte çözümü bir lineer denklem sistemi ile verilmiştir. Problemin sayısal çözümü için yazılan kodun ve uygulanan metodun doğrulaması, literatürde sıkça kullanıldığı gibi, analitik çözümü de mevcut olan atımlı birim küre problemi üzerinden yapılmış ve sonuçlar tez içerisinde sunulmuştur. Bu aşamada her ne kadar çözüm ağının iyileştirilmesine bağlı olarak sonuçlarda yeterli yakınsaklık elde edilmiş olsa da bazı frekanslarda analitik sonuçlarla uyumsuz pikler ortaya çıkmıştır. Dış akustik problemlerde ortaya çıkan bu düzensiz pikler, iç Drichlet tipi problemin doğal frekanslarına atfedilir ve ortadan kaldırılması için literatürde mevcut bazı yaklaşımlar vardır. Bunlardan CHIEF (Combined Helmholtz Integral Equation Formulation) metodu, uygulama aşamasında sağladığı kolaylık ve düşük frekanslardaki yeterli kabiliyeti dolayısıyla koda adapte edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda, düzensiz frekanslar tamamıyla ortadan kalkmıştır. Bu bağlamda, silindir kabuk ve denizaltı problemlerinde de ilgili metottan faydalanılmıştır. Akabinde, birim yükle zorlanmış ince plak ve yine birim yükle zorlanmış silindirik kabuk için uygulamalar yapılarak gürültü yayılımları tespit edilmiştir. Yapıdan yayılan toplam ses gücü hesaplanarak rezonans frekansları belirlenmiş ve kritik frekanslar için yapı yüzeyi boyunca ses basınç seviyeleri sunulmuştur. Son olarak ise, önerilen sayısal prosedür, harmonik pervane kuvveti zorlaması altındaki Darpa-Suboff denizaltı modeline uygulanmıştır. Pervaneden yapıya akışkan yolu ile iletilen hidrodinamik basınç kuvvetleri dikkate alınarak buna bağlı titreşim gürültüsü kestirimi yapılmıştır. Yapıya iletilen hidrodinamik basınç kuvvetleri, hesaplamalı akışkanlar dinamiği vasıtasıyla zaman bölgesinde gerçekleştirilmiş ve frekans bölgesinde analizlerin yapılabilmesi için hızlı Fourier dönüşümü ile frekans bölgesine taşınmıştır. Akustik yayılım, yapı yüzeyinde ve yapı çevresindeki belirli noktalarda ses basınç seviyesi cinsinden verilmiştir. İncelenen frekans bandı boyunca yapıdan yayılan ses gücü hesaplanmış ve bu ses gücü ifadelerine bağlı olarak rezonans frekansları belirlenmiştir. Toplam cevabın görece daha büyük olduğu frekanslara karşılık gelen kritik gürültü seviyeleri sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the numerical calculation of the acoustic pressure propagation caused by an underwater structure has been studied. Sources of noise emitted from an underwater vehicle can mainly be classified as propeller noise, machine noise and hydrodynamic noise. Propeller and machine noise have been studied for many years and include numerous studies. The problem addressed within the scope of this study is the examination of the acoustic propagation caused by the vibrations originating from the structure in the fluid domain it is in. Hydrodynamic noise is mostly calculated with the assumption that the structure is a rigid body. This noise determination approach, known as flow noise, is based on Lighthill's theory of acoustic analogy. In this approach, although it causes acoustic propagation, the dynamic response of the structure is not taken into account. As a result, the solution of Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equations based on Lighthill's analogy as a widely used approach falls short of the real value. Therefore, in this study, a fluid-structure interaction approach is adopted in which the structure is considered to be elastic. The fundamental wave equation representing the radiation of the acoustic pressure wave in the fluid medium has been reduced to the Helmholtz equation under harmonic assumptions over time. The Kirchhoff-Helmholtz integral equation, which relates the pressure value of a point in the acoustic field to the pressure on the boundary surface of the structure and its derivative, has been obtained by using the fundamental solution of this equation for a three-dimensional infinite isotropic medium. This equation, which requires the pressure along the surface of the structure and its normal derivatives to be known, was adapted to the external acoustics problem in terms of only boundary values by moving the observation point from the problem field to the boundary surface and also applying the Sommerfeld radiation condition. Solution of this boundary integral equation for complex geometric structures is possible by numerical approximation. The surface of the structure is discretized into finite elements and the pressure in the equation and its derivative expressions are determined in terms of the values calculated at the nodes by use of shape functions. Thus, the boundary integral equation obtained for the external acoustic problem was discretized using the boundary element method and the relationship between pressure and its derivatives was transformed into a system of linear equations. In the solution obtained by transforming the discretized motion equation expressing the dynamic behavior of any structure to the eigenvalue problem for undamped free vibration motion, natural frequencies and corresponding natural vibration modes are determined. The dynamic behavior of the structure is given as the sum of its behavior corresponding to each natural mode. At this point, a solution set suitable for the total number of natural modes taken in a certain convergence and frequency range has been created. By using the kinematic boundary condition on the fluid-structure interface, the fluid-structure coupling behavior is expressed. The solution of the equation of motion and the discretized boundary integral equation is given by a system of linear equations. The verification of the developed code for the numerical solution of the problem is made over the pulsating unit sphere problem, which has an analytical solution, as is often done in the literature and the results are presented in the thesis. Subsequently, applications are made for plate and cylindrical shell excited with unit load and sound radiation is determined. Finally, the proposed numerical procedure is applied to the Darpa-Suboff submarine model under harmonic propeller excitation. Vibro acoustic radiation is calculated by considering the hydrodynamic pressure forces transmitted from the propeller to the hull by the fluid. The hydrodynamic pressure forces transmitted to the structure are computed in the time domain by means of computational fluid dynamics, then are transferred to the frequency domain using Fast Fourier Transform for frequency domain analysis. Acoustic radiation is given in terms of sound pressure level on the hull surface and at certain points around the submarine model.
Benzer Tezler
- 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
- Gemi yapısal elemanlarının vibro-akustik açısından incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of ship structural elements in terms of vibro-acoustics
ALPARSLAN SELÇUK AŞKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH CÜNEYD KORKMAZ
- Gemi yapılarının vibro-akustik yaklaşımı ile titreşim ve akustik açısından optimum hale getirilmesi
Acquiring vibrationally and acoustically optimum ship structure through the vibroacoustic methodology
MEHMET AVCU
Doktora
Türkçe
2018
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL AHMET GÜNEY
- 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
- Vibro-acoustic analysis of a refrigerator freezer cabinet coupled with the air duct
Buzdolabı dondurucu bölmesinin hava kanalı ile birlikte akustiğinin incelenmesi
ONUR ÇELİKKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL