Geri Dön

Numerical investigation of maneuvering performance of monohull and multihull marine vessels

Tek gövdeli ve çok gövdeli deniz araçlarının manevra performansının sayısal incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 733125
  2. Yazar: SÜLEYMAN DUMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞAKİR BAL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Deniz Bilimleri, Gemi Mühendisliği, Marine Science, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 175

Özet

Bu doktora çalışması, iki tek gövdeli ve iki çok gövdeli gemi formunun manevra performansının sayısal analizine dayanmaktadır. Bunu başarmak için Abkowitz'in modeline dayalı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) tabanlı sistem simülasyonu yöntemi kullanılmış ve yeni kapalı forma sahip çözüm teknikleri önerilmiştir. İlk monohull formu, literatürde yaygın olarak kullanılan ve önemli sayıda karşılaştırma verisine sahip olan deplasman tipi bir su üstü muharip gemisidir. Üretildiği David Taylor Model Basin (DTMB) deney laboratuvarındaki model numarası olan DTMB5415 adıyla bilinmektedir. Bu yüzey muharip gemisinin bilinen iki konfigürasyonundan süreksiz sintine omurgası geometrisine sahip olan ve DTMB5415M adlı full takıntılı modeli tercih edilmiştir. İkinci tek gövdeli form, kayıcı tekne formuna sahip olan ve literatürde Model5365 olarak da bilinen R/V Athena'dır. Çok gövdeli gemiler için Delft Catamaran 372 (DC372) ve su üstü muharip trimaran formu seçilmiştir. HAD tabanlı sistem simülasyonu yöntemi, öncelikle gemi manevraları için matematiksel bir modelin geliştirilmesini dikte eder. Uygulama amacına bağlı olarak matematiksel model, çevresel faktörleri, dümen kuvvetlerini, pervane kuvvetlerini, tekne hidrodinamiğini ve varsa diğer dış etkileri içerebilir. Tekne hidrodinamik özellikleri genellikle gemi gövde formunu temsil eden özel parametrelerle modellenir. Bu parametreler manevra matematiksel modelinin çekirdeğini oluşturur ve sisteme giren veya sistemden çıkan herhangi bir etkiye gemi formunun nasıl tepki vereceğini belirler. Bu parametreler literatürde hidrodinamik türevler veya manevra katsayıları olarak adlandırılır ve deneysel veya sayısal olarak hesaplanabilir. Abkowitz'in manevra matematiksel modeli benimsenmiş ve bilgisayar ortamında HAD yardımıyla düzlemsel hareket mekanizması (DHM) testleri analiz edilerek seçilen tüm gemi formları için hidrodinamik türevler ayrı ayrı hesaplanmıştır. HAD analizleri için aşağıdaki strateji benimsenmiştir: İlk olarak, iyi bilinen tek gövdeli DTMB5415M'nin HAD analizleri için gerçekleme ve doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Hesaplamalı yöntem, tekne yüzeyindeki global skalerler ve dalga profilleri aracılığıyla karşılaştırılmıştır. Bunu yaparak, seçilen tekne formlarının geri kalanına uygulanmadan önce, hesaplama yönteminin düzgün çalışıp çalışmadığı araştırılmıştır. Daha sonra direnç simülasyonları üzerinden tüm gemilere doğrulama çalışması uygulanmıştır. DTMB5415M'nin doğrulama sürecine ek olarak, mevcut sonuçların diğer sayısal veya deneysel çalışmalarla uyumluluğunu kontrol etmek için tüm tekne formları için mevcut olan karşılaştırma verileri kullanılmıştır. Tüm gemi formlarının manevra katsayılarının hesaplanmasında bilgisayarlı DHM (veya BDHM) yaklaşımı kullanılmıştır. HAD tabanlı sistem simülasyonu yöntemini, manevra hareket denklemlerini bir dizi lineer diferansiyel denkleme dönüştürmek ve bunları ayrık zaman adımlarında yinelemeli bir yöntemle çözmek takip eder. Bu teknik, gemi manevralarını gerçek zamanlı operasyondan daha hızlı simüle ettiği için hızlı-zaman manevra simülasyonu (HZMS) olarak adlandırılır. Tek gövdeli formların HZMS'lerinde geleneksel dümen ve sevk sistemi (GDSS) kullanılırken, çok gövdeli formlara hem GDSS hem de su jeti dümen ve sevk sistemi (SJDSS) uygulanmıştır. Gemi manevralarının simülasyonuna çevresel faktörler dahil edilmemiştir. Hızlı çözüm teknikleri iki kısımda analiz edilmiştir: analitik (kapalı form) çözümler ve HAD tabanlı ampirik formüller. Analitik çözüm tekniğinde, gemi formlarının genellikle ön tasarım aşamasında mevcut olan temel boyutlarının kullanıldığı; direnç değerleri, dümen kuvvetleri, atalet momenti vb., temel mekanik prensiplerden yola çıkılarak belirli manevra hareketleri modellenmiştir. HAD tabanlı ampirik formül yaklaşımı (HF-ManSys) ise, HAD yönteminin son yıllarda yaygın olarak kabul görmesinden sonra deneyler yerine ampirik regresyon hesaplamalarına veri sağlama görevinin üstlenilmesine bir örnektir. Bu yöntemde, gemi parametrelerine dayalı ampirik ifadeler elde etmek için regresyona izin veren bir simülasyon matrisi hazırlanır. Bu bağlamda HF-ManSys, HAD yönteminin uygulama alanını genişletecek ve gemi hidrodinamiğine sezgisel formülasyonların kolay uygulanmasını sağlayacak bir yaklaşımdır. Analitik çözüm sonuçlarından, temel mekanik ilkelerden türetilen hızlanma, durma ve dönüş formüllerinin, nihai manevra performans parametrelerini tahmin etmede başarılı olduğu fark edilmiştir. Hızlanma ve durma manevralarında anlık konum ve hız bilgisi alınabilmesine rağmen dönüş dairesinde yörünge sağlanmaz. Bu noktadan hareketle analitik çözümlerin, gemi formunun temel parametreleri hakkında bilgi sahibi olunarak uygulanabilecekleri ön tasarım aşamasında faydalı olabileceği not edilmiştir. HF-ManSys yöntemi bu doktora çalışmasında sadece DTMB5415M formuna uygulanmıştır. Bu yöntem kullanılarak dönüş manevrası tahminleri için ampirik bir ifade önerilmiştir. HAD tabanlı ampirik yöntem olan HF-ManSys, hem regresyon ara değerleri hem de test matrisi dışındaki aralıklar için nihai performans parametrelerini başarıyla tahmin etmiştir. HAD tabanlı sistem simülasyonu yönteminde, HAD simülasyon sonuçları ilk olarak en güncel sayısal çözüm doğrulama teknikleri (ağ yakınsama indeksi-AYİ, düzeltme faktörü-DF, güvenlik faktörleri-GF) kullanılarak analiz edilmiş ve HAD yönteminin güvenilirliği incelenmiş ve test edilmiştir. Hesaplamalı çözümlerin fiziksel deneylerle uyumluluğu, bazı skaler sonuçlar (kuvvet ve moment gibi) ve/veya grafik konturlar (serbest su yüzeyi deformasyon ve dalga profili) aracılığıyla gözlemlenmiştir. HAD simülasyonları ile elde edilen skaler parametrelerin, hem tek gövdeli hem de çok gövdeli formlar için literatürdeki mevcut deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içinde olduğu bulunmuştur. Abkowitz'in matematiksel modelinde belirtilen tüm hidrodinamik katsayılar, tüm gemi formları için BDHM yaklaşımı kullanılarak hesaplanmıştır. DTMB5415M tekne formunun 35 derece dönme dairesi (DD35) HZMS sonuçları ile mevcut karşılaştırma verileri arasında önemli benzerlikler elde edilmiştir. R/V Athena tekne formunun manevra özelliklerine ilişkin çok az veri bulunması nedeniyle, manevra performans parametrelerinin HZMS ile belirlenmesi ve DTMB5415M formu ile boyutsuz değerler üzerinden karşılaştırılması gemi manevrası araştırma alanına önemli katkılar sağlamıştır. SJDSS ile donatılmış DC372 katamaranın 20 derece dönme dairesi (DD20) ve 20/20 zikzak (ZZ20) HZMS sonuçları, literatürde verilen deneylere ve simülasyona dayalı sonuçlara oldukça yakın sonuçlar göstermiştir. Bu açıdan bakıldığında, aynı SJDSS, DD20 ve ZZ20 simülasyonlarında yüzey muharip trimaran gemi formuna uygulanmıştır. Boyutsuz HZMS sonuçları üzerinden trimaran gövdesi ile DC372 katamaran arasındaki benzerlikler/farklılıklar araştırılmıştır. Çok gövdeli HZMS'ler, konvansiyonel sistemin bu tür gemiler için uygun olup olmadığını araştırmak için GDSS uygulanarak tekrarlandı. Su jeti sisteminin katamaran ve trimaran gövdelerinde konvansiyonel sisteme göre daha yüksek manevra performansı sağladığı gözlemlenmiştir. DC372'nin her iki sevk sistemine sahip simülasyon sonuçlarına göre, ZZ20 manevrasında aşırı dönme açılarının klasik tek gövdeli formlara göre son derece yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu durum literatürde DC372'nin deneysel ve simülasyon sonuçlarında da benzer şekilde rapor edilmiştir. DC372 katamaranına kıyasla trimaran gövdesi sürekli dönme dairesi çapı açısından daha iyi bir yetenek sergilemiştir. Ayrıca, ZZ20'deki aşırı dönme açıları, DC372 katamaran için hesaplananların neredeyse yarısı kadar, yine de tek gövdeli formlara kıyasla yüksek değerler olarak bildirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, tek gövdeli ve çok gövdeli deniz araçlarına HAD tabanlı sistem simülasyonu yöntemi uygulanmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Abkowitz'in manevra modeli için gerekli olan hidrodinamik türevler, seçilen tekne formları için BDHM tekniği ile belirlenmiştir. Abkowitz'in doğrusal olmayan üç (3) serbestlik derecesi modeline dayalı, dinamik dümen ve tahrik modeliyle çalışan bir çekirdek bilgisayar kodu geliştirilmiş ve DynaMaSS (Dinamik Manevra Sistemi Simülatörü) olarak adlandırılmıştır. Çok gövdeli formların manevra özelliklerinin klasik tek gövdeli gemilere göre farklılıkları/benzerlikleri tartışılmıştır. HZMS'de aynı tahrik sistemleri kullanılarak iki farklı çok gövdeli konseptin manevra performansları araştırılmıştır. Ön tasarım aşamasında hızlanma, durma ve dönüş performans parametrelerinin belirlenmesinde kullanılabilecek uygun maliyetli, hızlı cevap veren ve güvenilir analitik çözümler sunulmuştur. HAD tabanlı ampirik bir yaklaşım olan HF-ManSys yöntemi anlatılmış ve tek gövdeli bir su üstü muharebe gemisine başarıyla uygulanmıştır. Çok gövdeli gemilerin manevra performans analizi ile ilgili çalışmaların yakın gelecekte artarak popüler araştırma konuları arasında yerini alması öngörülmektedir. Çok gövdeli teknelerin direnç hesaplarında zaten yaygın araştırma konuları arasında yer alan dalga girişimi olgusu, manevra özelliklerine etkileri açısından da incelenecektir. Bu çalışmada bahsedilen tekne bileşenlerinin ayrık incelenmesi yöntemi (TBAİ) ile çok gövdeli gemiler bileşen bazlı bir yaklaşımla incelenecektir. TBAİ, manevra kabiliyeti lehine yeni çoklu gövde formları tasarlamak için yararlı bir bakış açısı olacaktır.

Özet (Çeviri)

This Ph.D. study is based on the numerical analysis of the manoeuvring performance of two monohull and two multihull ship forms. To achieve this, the CFD-based system simulation method based on Abkowitz's model has been employed and new closed-form solution techniques have been proposed. The first monohull form is a displacement type surface combatant, which is widely used in the literature and has a significant number of comparison data. It is known by the name DTMB5415, which is the model number in the David Taylor Model Basin (DTMB) experimental laboratory where it was produced. Of the two known configurations of this surface combatant, the one with discontinuous bilge keel geometry and named DTMB5415M has been preferred with full appendages. The second monohull is the R/V Athena, which has the form of a planing hull and is also known in the literature as Model5365. For multihull ships, Delft Catamaran 372 (DC372) and surface combat trimaran have been selected. The CFD-based system simulation method first dictates the development of a mathematical model for ship manoeuvres. Depending on the application purpose, the mathematical model can include environmental factors, rudder forces, propeller forces, hull hydrodynamics and other external effects, if there is any. Hull hydrodynamic characteristics are commonly modelled by special parameters representing the ship hull form. These parameters are the core of the manoeuvring mathematical model and they determine how the ship form will react to any effect entering or leaving the system. These parameters are called hydrodynamic derivatives or manoeuvring coefficients in the literature and can be calculated either experimentally or numerically. Abkowitz's manoeuvring mathematical model has been adopted and the hydrodynamic derivatives have been calculated separately for all selected ship forms by analyzing the planar motion mechanism (PMM) tests with the help of CFD in the computer environment. The following strategy has been adopted for CFD analyses: First, verification and validation (V&V) studies have been performed for CFD analyses of the well-known monohull DTMB5415M. The computational method has been compared through the global scalars and wave profiles on the hull surface. By doing this, it has been investigated whether the computational method works properly, before applying it to the rest of the selected hull forms. Then, verification has been applied to all ships through resistance simulations. In addition to DTMB5415M's validation process, the comparison data for all hull forms, if available, have been used to check the compatibility of the present results with other numerical or experimental studies. The computerized PMM (or CPMM) approach has been employed in the calculation of the manoeuvring coefficients of all ship forms. The CFD-based system simulation method is followed by transforming the manoeuvring motion equations into a set of linear differential equations and solving them with an iterative method in discrete time steps. This technique is called fast-time manoeuvring simulation (FTMS) due to simulating ship manoeuvres faster than real-time runs. While conventional steering and propulsion system (CSPU) has been used in FTMS of monohull forms, both CSPU and water jet steering and propulsion system (WSPU) have been applied to multihull forms. Environmental factors have not been included in the simulation of ship manoeuvres. Fast solution techniques have been analyzed in two parts: analytical (closed-form) solutions and CFD-based empirical formulas. In the analytical solution technique, certain manoeuvring motions have been modelled starting from the basic mechanical principles where the basic dimensions of the ship forms that are generally available in the preliminary design stage have been used, for example; resistance values, rudder forces, the moment of inertia. The CFD-based empirical formula approach (HF-ManSys), on the other hand, is an example of taking over the task of providing data to empirical regression calculations instead of experiments after the CFD method has been widely accepted in recent years. In this method, a simulation matrix is prepared that allows regression to obtain empirical expressions based on ship parameters. In this context, HF-ManSys is an approach that will expand the application area of the CFD method and will provide easy implementation of intuitive formulations to ship hydrodynamics. It has been noticed from the analytical solution results that the acceleration, stopping and turning formulas derived from the basic mechanical principles have been successful in predicting the final manoeuvring performance parameters. Although the instant position and speed information can be obtained in acceleration and stopping manoeuvres, the trajectory in turning circle is not provided. From this point of view, it has been noted that analytical solutions can be useful in the preliminary design stage where they can be applied by having the knowledge of the principal parameters of the ship form. The HF-ManSys method has been applied only to the DTMB5415M form in this Ph.D. thesis. An empirical expression for turning manoeuvre predictions has been proposed using this method. The CFD-based empirical method, HF-ManSys, has successfully estimated the final performance parameters for both regression intermediate values and intervals outside the test matrix. In the CFD-based system simulation method, CFD simulation results have first been analyzed using the latest numerical solution verification techniques (grid convergence index-GCI, correction factor-CF, factors of safety-FS) and the reliability of the CFD method has been tested. The compatibility of the computational solutions with the physical experiments has been observed through some scalar results (such as force and moment) and/or graphic contours (free water surface deformation and wave profile). The scalar parameters obtained by CFD simulations have been found to be in good agreement with the existing experimental results in the literature for both monohull and multihull forms. All hydrodynamic coefficients that are stated in Abkowitz's mathematical model have been calculated using the CPMM approach for all ship hull forms. Significant similarities have been obtained between the 35-degree turning circle (TC35) FTMS results of the DTMB5415M hull form and the existing comparison data. Since there is very little available data on the manoeuvre characteristics of the R/V Athena hull form, the determination of the manoeuvre performance parameters with FTMS and the comparison with the DTMB5415M form over dimensionless values has been made a significant contribution to the research area of ship manoeuvring. The 20-degree turning circle (TC20) and 20/20 zigzag (ZZ20) FTMS results of the DC372 catamaran equipped with WSPU have shown remarkable close results to the experiments and simulation-based results given in the literature. From this point of view, the same WSPU has been implemented into the surface combat trimaran ship form in TC20 and ZZ20 simulations. Similarities/differences between the trimaran hull and the DC372 catamaran have been investigated over the non-dimensional FTMS results. Multihull FTMSs have also been repeated by implementing the CSPU to investigate whether the conventional system is suitable for such ships. It has been observed that the waterjet system provides higher manoeuvring performance than that of the conventional system regarding the catamaran and trimaran hulls. According to the simulation results of the DC372 with both propulsion systems, it has been found that the overshoot angles in the ZZ20 manoeuvre have been found extremely high compared to the classical monohull forms. This situation has been similarly reported in the experimental and simulation results of DC372 in the literature. The trimaran hull has demonstrated better capability in terms of steady turning circle diameter compared to the DC372 catamaran. Besides, the overshoot angles in ZZ20 have been reported as almost half of those calculated for the DC372 catamaran, still, high values compared to monohull forms. In conclusion, within the scope of this thesis, the CFD-based system simulation method has been applied to monohull and multihull marine vessels and successful results have been obtained. The hydrodynamic derivatives required for Abkowitz's manoeuvring model have been determined for the selected hull forms by the CPMM technique. A core computer code based on Abkowitz's non-linear three (3) degree-of-freedom model, working with dynamic steering and propulsion model, has been developed and named DynaMaSS (Dynamic Manoeuvre System Simulator). The differences/similarities of the manoeuvring characteristics of the multihull forms compared to the classical monohull ships have been discussed. The manoeuvring performances of two different multihull concepts have been investigated using the same propulsion systems in FTMS. Cost-effective, fast-response and reliable analytical solutions that can be used to determine the acceleration, stopping, and turning performance parameters at the preliminary design stage have been presented. The HF-ManSys method, which is a CFD-based empirical approach, has been explained and successfully applied to a surface combatant monohull ship. It is foreseen that the studies related to the manoeuvring performance analysis of multihull ships will increase in near future and take place among the upcoming trend research topics. The wave interference phenomenon, which is already among the popular research topics in resistance calculations of multihulls, will also be examined in terms of its effects on manoeuvring characteristics. With the discrete study of hull components (DSHC) mentioned in this study, multihulls will be examined on a component-based approach. DSHC will be a helpful perspective to design new forms of multihulls in favour of manoeuvrability.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    833315

    Maneuvering of high speed displacement vessels in regular waves

    Yüksek hızlı deplasman gemilerinin düzenli dalgalarda manevraları

    DENİZ ÖZTÜRK SARIGÜL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI

  2. Tez No

    441766

    Investigation of the turning performance of a surface combatant with urans

    Bir su üstü savaş gemisinin dönme performansının urans kullanılarak incelenmesi

    SÜLEYMAN DUMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAKİR BAL

  3. Tez No

    907394

    Autosub sualtı aracının farklı boy genişlik oranları ve derinlik genişlik oranları için yanal hızda manevra türevlerinin elde edilmesi

    Investigation of the maneuvering derivatives for static drift of the autosub underwater vehicle for different length to breath and height to breath ratios

    YUNUS ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Deniz BilimleriYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN ARIKAN ÖZDEN

  4. Tez No

    335879

    Su altı araçları için yeni geliştirilen hidrodinamik modelleme yöntemleri kullanılarak otonom bir su altı aracının hidrodinamik karakteristiğinin incelenmesi

    Investigation of hydrodynamic characteristic of an auv by using new developed hydrodynamic modeling techniques for underwater vehicles

    SERTAÇ ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR

    PROF. DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU

  5. Tez No

    101393

    Kanat-uçkanat etkileşiminin sayısal analizi

    Numerical analysis of wing-winglet configuration

    NURHAK ERBAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. A. RÜSTEM ASLAN

Geri Dön