Geri Dön

Physical investigation of 2d free falling wedge

Serbest düşümlü 2 boyutlu kamanın fiziksel olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 744778
  2. Yazar: AHMET MERTCAN YASA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ABDİ KÜKNER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, 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 ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Günümüzde, gemi ve tekne tasarımı sırasında, özellikle ön tasarım aşamalarında, suya girişte oluşan kuvvetler ve bu kuvvetlerin dağılımı gerek kayma gerekse de baş-kıç vurma hareketleri açısından çok önemli bir olgu olarak ortaya çıkıyor. Bir deniz aracı (kayıcı tekne, balıkçı tekneleri, serbest düşüşlü can filikaları ya da büyük ticari gemiler olsun fark etmez), suya giriş hareketi esnasında (baş-kıç vurma ya da yunuslama hareketi düşünebilir), suya giren yüzey üzerinde oluşan basınç ve dolayısıyla kuvvet dağılımı kritik bir parametre halini alıyor. Özellikle, MSC NAPOLI gibi çok yakın zamanda meydana gelmiş bir olayı düşününce, bu dizayn parametresinin önemi iyice ortaya çıkıyor. Bu olayda baş-kıç vurma hareketinin eğilme mometini %30 arttırması sonucunda yapısal hasar meydana gelmişti. Bu suya giriş hareketi sırasında gemilerin ya da ilgili deniz araçlarının hiçbirisi herhangi bir yapısal hasara ya da gemi üstünde bulunanların hayatına kast edecek bir yaralanmaya maruz kalmaması da en önemli amaç haline gelmiştir. Tüm bu düşünceler çerçevesinde, bu dizayn parametresinin hala günümüze kadar önemini koruduğu bir gerçektir. Bu ikonik hareketi düşündüğümüz zaman da gerek baş-kıç dövünme olsun gerekse de daha küçük teknelerdeki suya giriş ya da kayıcı teknelerdeki yunuslama hareketi olsun, genel olarak“suya giriş”başlığı altında toplayabileceğimi bu olayın ele alınması gerektiğine kadar verildi. Her ne kadar bu spesifik konu yaklaşık bir yüzyıldır ele alınsa da, ortaya atılan yöntemlerin karmaşıklığı ve yapılması gereken hesapların yoğunluğu gerek dizayn aşamasında büyük bir zorluk haline geliyor gerekse de endüstride çalışanlar için anlaşılmaz bir hal alabiliyor. Bu çalışmada da gemi tasarımını ilk süreci ve optimizasyonu aşamasında gemi tasarımcılarına yardımcı olacak basit ama etkili bir yöntemin oluşturulması amaçlandı. İki boyutlu bir kama profilinin suya serbest düşme hareketi tanımlanarak, fiziksel açıdan ele alındı ve bu serbest düşme sırasında ortaya çıkan basınç etkileri incelendi. Daha önce de belirtildiği gibi, kayıcı tekneleri ya da küçük tekneleri ele aldığımız zaman bu seçilen kama profili çok önemli bir noktaya geliyor. Özellikle kayıcı tekneler için kama kesiti direkt olarak kullanılabilir bir form. Bu noktadan hareketle, ilgili hesaplarım yapılma kolaylığı açısından kama formunun hem kayıcı teknelere hem de balıkçı ya da trol gibi küçük deniz araçlarına uygun form olduğuna karar verilmiştir. Literatüre baktığımız zaman geçtiğimiz yüzyılda sayısız çalışma olsa da, 1932'deki Wagner'in çalışması her zaman için önemli bir noktada olmuştur. Günümüzde ağırlıklı olarak artık CFD ya da BEM gibi bilgisayarlı hesaplama yöntemleri kullanılsa da, özellikle genelleştirilmiş Wagner metodu, günümüzde bile kullanılmakta olup, birçok çalışmaya da ilham vermiştir. Bu bahsedilen bilgisayarlı hesaplama metodlarının karmaşıklığı ve gerektirdiği zaman ise kesinlikle göz ardı edilemeyecek bir boyuttadır. Bu çalışmada da zaten tüm bu noktalar göz önüne alınmış ve ihtiyaç duyunulduğu düşünülen bir noktaya değilinilmeye çalışılmıştır. Temel olarak, basit ama etkili bir metod üzerinde çalışılmış, uygulama kolaylığı açısından da konformal haritalama dönüşümünün kullanılması önerilmiştir. Böylelikle Wagner'in ünlü metodunu başlangıç noktası kabul edilerek, bu çalışmayla tekne yüzeyindeki basınç dağılımının hesaplanması amaçlanmış ve Schwarz-Christoffel konformal haritalama dönüşümü yöntemi kullanılarak yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yeni yöntemle beraber sadece basınç dağılımı değil, aynı zamanda sudaki kalkım ve kuvvet değerleri de hesaplanmıştır. İlk olarak, kesit ve kullanılacak yöntem tanımlanmıştır. Belirtildiği gibi Schwarz-Christoffel konformal haritalama dönüşüm yöntemi seçilmiştir. Bu yöntem özellikle köşe açıları bilinen alanları dönüştürmek ve akışkanlar mekaniğine uyarlamak için idealdir. Yöntemin seçilmesinin ardından hesaplarda kolaylık sağlamak ve de elde edilecek integralleri çözebilmek açısından bazı kabuller yapılmıştır. Çalışmada suyun yüzey gerilimi, vizkosite, yer çekimi etkileri, ek kütle, suyun jet akışı haline geçişi, hava kabarcık etkileri ihmal edilmiş olup, akışkan sıkıştırılamaz, dönmesiz ve laminer olarak kabul edilmiş olup, Laplace denklemleri uygulanmıştır ve Bernouilli prensibi takip edilmiştir. Bu kabullerin ardından hız hareket boyunca sabit tutulmuş olup, sınır şartları tanımlanmıştır. Çalışma monoton artan yüzeylere uygulanabilir olacak şekilde tasarlanmıştır. Gerekli kabuller ve tanımlamalar yapıldıktan sonra, başlangıç olarak, gerçek düzlem (kama) ve haritalama düzlemi (doğru) arasındaki ilişki hesaplanmıştır. Bu demek oluyor ki, kama olarak önerilen gemi kesiti, haritalama ile doğrusal bir hale getirilmiştir. Bu da gerek sudaki kalkım gerekse de basınç dağılımını hesaplamak açısından büyük kolaylık sağlamaktadır. Temel olarak haritalamanın nasıl yapıldığına bakılırsa; kama, Schwarz-Christoffel haritalama yönteminin uygulanması açısından eksenler üzerinde simetrik iki üçgen olarak tanımlanmış ve bir dörtgen haline getirilmiştir. Haritalama yönteminde gerekli olan açıların belirlenmesinin ardından haritalama düzlemine, kamanın yüzeyi bir doğru olacak şekilde aktarılmıştır. İlk olarak kama yüzeyinin mesafesi ya da basitçe hipotenüs diyebileceğimiz mesafe hem gerçek hem de haritalama düzleminde tanımlanmıştır. İkinci olarak suya giriş hareketi sırasında oluşan ve serbest su yüzeyinde artışa sebep olan suyun kalkımı denilen etki incelenmiştir. Aynı şekilde olmak şartıyla, konformal haritalama kullanılarak sudaki kalkım hesaplanmıştır. Kısaca, gerçek düzlem ve haritalama düzlemi arasındaki ilişki ortaya konulup,ardından Wagner'in düz plaka hesabı temel alınarak, sudaki kalkımı verecek olan kalkım katsayıları 0 dereceden 90 dereceye kadar olan sintine kalkım açısına sahip kesitler için hesaplanmıştır. 0 derece düz plaka olarak düşünülmüş olup, Wagner ile bağlantısı bu noktada açıklanmıştır. Bu aşamada da elde edilen kalkım katsayıları literatürde mevcut olan diğer çalışmalarla karşılaştırılmış, ardından da yine literatürde mevcut olan ve genel olarak bu probleme uygulanması mümkün olan nümerik yöntemlere uygulanabilirliği tartışılmış ve gösterilmiştir. Bu çalışmada ortaya atılan kalkım katsayısı boyutsuz bir şekilde tanımlanmış ve sadece bu katsayı dahi mevcut olan diğer çalışmalarda kullanılabilir olacak şekilde ortaya atılmıştır. Bu katsayının elde edilmesiyle birlikte de tezin ilk aşaması tamamlanmış olup, basınç ve kuvvet dağılımlarının hesaplanmasına başlanmıştır. Tek başına kalkım katsayısı da halihazırda mevcut olan diğer yöntemlere de uygulanabilir olup, sonuçlar açık bir şekilde paylaşılmıştır. İkinci aşamada, ilk aşamayla benzer olarak haritalama yöntemi bir kez daha uygulanmış, gerçek ve haritalama düzlemlerindeki değişkenler arasındaki bağlantılar bulunmuştur. Yapılan kabuller ve ihmalleri göz önüne alınca, akışkanın Laplace denklemini sağladığı gösterilmiş ve aynı zamanda basınç hesabında Bernoulli Prensibi uygulanmıştır. Laplace ve Bernoulli'nin tanımlanmasının ardından da, basınç denkleminde çözülmesi gereken hız potansiyeli hesaplanmıştır. Hız potansiyelinin tanımı tamamen haritalama sonucunda elde edilen değişkenlere bağlı olup, elde edilen integraller nümerik yöntemlerle çözülmüş, genel olarak bu spesifik suya giriş problemlerinde karşılaşan sonsuza gitme eğilimi üzerinde tartışılmış ve tamamen yeni fonksiyonlar tanımlarak, farklı kalkım açıları için farklı sonuçlar türetilmiştir. Her bir kalkım açısın için tanımlanan bu fonskiyon daha sonra hız potansiyeli denkleminde kullanılmış olup, kama yüzerinde oluşan basınç dağılımı hesaplanmıştır. Basınç dağılımı giriş hızına bağlı olarak hem boyutlu (Pascal) hem de boyutsuz bir katsayı olarak (Cp – Basınç Katsayısı) ortaya konulmuştur. Sonuçların doğrulanması ise literatürde mevcut olan deney sonuçları ile yapılmıştır. Basınç dağılımı sonuçları Yettou [15], Oien [54], Dong [20] ve Sun [36] tarafından yapılan deneylerle karşılaştırılmıştır. Bu deneyde sırasıyla 25 derece, 10 derece, 45 derece ve 30 derecelik kama kesitlerinin sonuçları verilmektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, deneylerle uyumluluk göstermekte olup, sonuçların ne kadar yakınsadığı açık bir şekilde gösterilmiştir. Özellikle kamanın suya ilk girişi esnasında elde edilen maksimum basınç değerleri fazlasıyla başarılı olup, önerilen yöntemin ilk aşaması tamamlanmıştır. Basıncın ardından, kuvvet dağılımı hesaplanmış olup, bu sonuçlar da yine aynı şekilde deney ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.Kuvvet hesaplarında sonuçlar beklenenden biraz daha fazla çıkmış olmasına rağmen, mertebe olarak deneyle uyumluluk gösterdiği de açıktır. Sonuçlar aynı mertebeden çıkmış olup, oluşan farklılık da ihmal edilen değerler ve yapılan kabullerle alakalı olduğu sonucuna varılmıştır. Basınç ve kuvvet hesabının başarıyla tamamlanması ve elde edilen sonuçların mevcut deneylerle karşılaştırılmasının ardından, bu çalışmada sunulan yöntemin uygulanabilirliliği ve ne kadar etkili sonuçlar verdiğini göstermek için çalışma bir adım ileriye götürülmüş olup, bu çalışmada sunulan yöntemin geçerliliği sadece deneylerle değil, gerçek gemi kesitleri ve CFD uygulamalarıyla da karşılaştırmalar yapılmıştır. Gerçek gemi kesitleri için monoton artan yüzeylerin tanımlanmasıyla birlikte hem deney modeli kesiti hem de halihazırda çalışan ticari bir gemi kesiti üstünde karşılaştırmalar yapılmıştır. Sonuçların uyumlu olduğu aşikardır. CFD olarak da yine mevcut olan bir çalışma kullanılmış olup, piyasada bulunan ticari yazılım ile yapılmış CFD bilgisayar modellemesinin sonuçlarına karışılık bu çalışmada elde edilen sonuçlar konulmuş ve bir kez daha maksimum basınç değerlerinde ortaya çıkan başarılı değerler gösterilmiştir ve kanıtlanmıştır. Kısaca hem deney sonuçları, hem CFD hem de gerçek gemi sonuçlarına karşılık bu çalışmada sunulan sonuçların uyumlu olduğu kanıtlanmıştır. Bu çalışmanın temel amacı basit ama etkili bir yöntemi ortaya koyup, bu yöntemle basınç ve kuvvet dağılımının hesabını yapmaktır. Özellikle hem akademi hem de endüstri arasındaki kopukluk ve anlam karşmasının giderilmesi açısından tamamlayıcı bir halka olacaktır. Gerek işlemlerin basitliği gerekse de uygulanabilirliği bu çalışmanın başarıyla tamamlandığını göstermektedir. Tüm by elde edilen verilere ve sonuçlara bakarak, çalışmanın amacı açıkça sağlanmıştır. Bu çalışmayla birlikte de, önerilen yöntem ön dizayn aşamasındaki kayıcı teknelere, küçük teknelere veya serbest düşümlü can filikalarına rahatça uygulanabilir olup, gerektiğinde gemi kesitleri için de ön çalışma yapmaya olanak sağlamaktadır. Uygulanabilirlilik açısından da tüm hesaplamalar uygun formatta yazılmış olup, istenildiği takdirde yeni farklı açılara ve farklı hızlara uygulanabilir.

Özet (Çeviri)

Water entry is an important phenomenon for sea-going vessel in terms of planing and slamming. Pressure distribution on the solid surface, at the moment of impact on water is a critical parameter during the initial design and optimization of a vessel, especially on planing vessels, trawlers or free-fall lifeboats and alike. The aim of this study is to create a simple yet accurate method to aid ship designers on the initial process & optimization of the ship design. Porpoising motion of planing hulls or releasing the free-fall lifeboat from the ship during the emergency situation are perfect two examples of this specific design problem. During this specific water impact event, none of the vessels shall suffer any kind of damage which results in either structural failure on the said vessel or injuries/death of persons onboard. It is fair to say that this specific design factor has its importance to this date. Starting from this point of view, for the easiness of the calculations a wedge shape is taken into account for both planing vessels and trawlers & fishing vessels. This wedge shape can be considered as similar to planing hulls, small craft such as trawlers or free-fall lifeboats. Based on Wagner's famous method for calculating pressure distribution and pile-up of water on plates, this study proposes a new method using Schwarz-Christoffel conformal mapping to calculate pressure distribution along the surface as well as pile-up of water and force history. At the beginning, the definition between mapping plane and real plane is presented. By doing this, pile-up coefficients are calculated. Based on the Wagner's flat plate theory, the pile-up coefficients are plotted from 0 degrees of deadrise to 90 degrees deadrise, where 0 degrees deadrise is a flat plate. The results are further compares against Mei's results [17], which are not only improving the Wagner's fixed pile-up coefficient but also found by similar conformal mapping method. Upon calculating the pile-up coefficient, this coefficient incorporated into existing empirical methods for individual usage. Then, conformal mapping calculations are continued to plot pressure distribution along the wedge. The pressure distribution values are compared against Yettou's Experiment [15], Oien's Experiment [54], Sun's Results [36] and Dong's Experiment [20]. These experiments consist of respectively 25 degrees of deadrise, 30 degrees of deadrise, 10 degrees of deadrise and 45 degrees of deadrise. The results are very well matching. Upon completion of comparison, the force history is calculated. The force history is compared against Sun's results, which are consisting of four different impact speeds. It is found some overestimation on the force history, but in general results are satisfactory. As an additional verification, comparison against real ship sections was also examined. This proposed method can be expressed on monotonic sections. Based on this method of application, alternative sections were proposed against real ship sections and comparison for slamming pressure is conducted. Results were discussed accordingly. Lastly, comparison against CFD application is done. The results are shown as very well matching. By doing this, presented method in this study was compared against drop test experiments, real ship sections and CFD application all together. It is accuracy proved in all aspects. In conclusion, the aim considered to be achieved by presenting pressure distribution and force history results by making different comparisons. This study provides an easy method to calculate this critical design factor. It is noted that the method is very accurate for initial impact loads and can be used in initial design stage to understand the loads and pressure along the ship section.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    463533

    Investigation of rockfall around Ankara Citadel

    Ankara Kalesi çevresinde kaya düşmesinin incelenmesi

    NYEIN EI SAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Jeoloji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAMER TOPAL

    DOÇ. DR. MÜGE AKIN

  2. Tez No

    882583

    Konsol istinat duvarlarında geri dolgu malzemesi olarak bitlis pomza agregalı köpük betonların kullanılabilirliğinin araştırılması

    Investigation of the usability of foam concrete with bitlis pumice aggregate as a backfilling material in cantilever retaining walls

    BURAK DERELİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMÜR ÇİMEN

    PROF. DR. METİN DAVRAZ

  3. Tez No

    19395

    Yedikule-Yenikapı bölgesi rekreasyon alanlarının değerlendirilmesi

    The Evaluation of recreational areas between Yedikule-Yenikapı region

    HÜSEYİN SEVİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1991

    Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AYTEN ÇETİNER

  4. Tez No

    577045

    Nano-fotokatalitik malzeme üretimi, karakterizasyonu ve fotokatalitik performans incelemesi

    The production and characterization of nano-photocatalytic materials and investigation of their photocatalytic performances

    EMRE ALP

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI

    DOÇ. DR. AZİZ GENÇ

  5. Tez No

    650652

    Bacillus cereus, B. tubtilis ve B. thuringiensis türü bakterilerin mısırda (Zea mays L.) protein ifade profili üzerine etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of Bacillus cereus, B. subtilis and b. thuringiensis type of bacteria on the protein expression profile of corn (Zea mays L.)

    DİLEK GÖKÇEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    ZiraatErciyes Üniversitesi

    Tarımsal Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMİH YILMAZ

Geri Dön