Geri Dön

Reduction of the sail root vortex of Darpa Suboff submarine

Darpa Suboff denizaltısının yelken kök girdabının azaltılması

PDF İndir

  1. Tez No: 779376
  2. Yazar: BURCU KAYACAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİ CAN TAKİNACI, PROF. DR. SAMİ AYDIN ŞALCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 94

Özet

Su yüzeyinin altında ve üstünde hareket edebilen denizaltılar kullanım amacına göre farklı tasarımlarda olabilen kendinden tahrikli su taşıtlarıdır. Bu çalışmada askeri amaçlı kullanılan denizaltılar göz önünde bulundurularak hidrodinamik iyileştirmeler yapılmıştır. Denizaltılar 1. Dünya Savaşında aktif olarak kullanıldıktan sonra donanmalar için önemli bir askeri güç haline gelmişlerdir. Savaşta kullanılan ilk denizaltı olan American Turtle'ın Amerikan Bağımsızlık Savaşı'nda kullanılmasından günümüze kadar geçen zamanda, gizlilik her zaman askeri denizaltılar için önemli bir unsur olmuştur. Denizaltılar, birincil özelliği olarak gizlilikle yaratılmış ilk savaş makineleridir. Arkasındaki temel amaç, düşmanlar tarafından algılanmadan hedefe yaklaşırken, saldırı sonrası kaçabilen bir silah dağıtım platformu inşa etmektir. Devasa makine sistemleri ile okyanus ortamında saklanmak zor olsa da ileri teknolojileri sayesinde tespit edilememektedir. Gizliliğe yönelik özellikleri, gövdeleri etrafında kauçuk kaplama, nükleer güçle çalışan tahrik sistemleri, sessiz çalışma modları ve hidrodinamik olarak tasarlanmış gövde formları gibi teknolojileri içerir. Denizaltılar, basınç kuvvetini eşit olarak dağıtmak için aracın kullanım amacına göre hidrodinamik olarak tasarlanmış silindirik basınçlı gövdelere sahiptir. Kontrol yüzeylerinin uygun şekilde stabilite ve manevra kabiliyeti yapabilmesi, depolama yerleri sağlanması veya mürettebatın tahliyesine izin vermesi için yelken gibi eklentileri gerekli kılmaktadır. Bu da, gelen akışı bozmakta ve akış ayrışması meydana getirerek girdap oluşumuna neden olmaktadır. Bununla beraber, direnç değerini artırarak denizaltıları tespit etmeyi mümkün hale getirmektedir. Günümüzde birçok devlet, denizaltı yelkenlerinin ön formunu eski nesil denizaltılarda olmayan önder kenar yuvarlatmaları ile değiştirmiştir. Bu devletlerin başında Amerika Birleşik Devletleri olmak üzere Fransa, Japonya, Çin, İspanya gibi devletlerin nükleer güçle veya dizel-elektrik gücüyle çalışan saldırı amaçlı üretilen denizaltılarında rastlanmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nin Virginia ve Seawolf sınıfı denizaltıları, Fransız donanması tarafından üretilen Suffren denizaltısı, Japonya donanmasının Soryu denizaltısı, Çin donanmasına ait Qing denizaltısı ve İspanya donanmasına ait, yapımı devam eden Isaac-Peral denizaltıları gibi birçok askeri denizaltıda rastlanmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri, Ohio sınıfı nüklear denizaltısını önder kenar yuvarlatması olan Columbia sınıfı denizaltıyla değiştirmiş olup, Los Angeles sınıfı denizaltısını yelken yuvarlatması olan Virginia ve Seawolf sınıfı ile değiştirmiştir. Shang sınıfı denizaltı 2006 yılında servise alınmış ve çeşitli modifikasyonlardan geçerek yelken önder kenarına yuvarlatma uygulanmıştır. Türk Deniz Kuvvetleri tarafından MİLDEN projesi kapsamında 2031'de tamamlanması planlanan denizaltı Gölcük Tersanesi'nde yapımına başlanacak olup ön tasarımında yelken önder kenarına yuvarlatma uygulanacağı anlaşılmaktadır. Bu çalışmada, DARPA (The Defense Advanced Research Projects Agency) tarafından Suboff projesiyle yapılan eksenel simetrik denizaltının, yelkeni etrafındaki oluşan akışı düzenlemek için, yelkenin hücum kenarına çeşitli yuvarlatma formları eklenerek, yelken gövde birleşim noktasında oluşan yelken kök girdabının azaltılması amaçlanmıştır. Amerikan ordusu için çalışan bir araştırma ve geliştirme kuruluşu olan DARPA'nın bu projeyle amacı, basit geometrili bir denizaltı modeli oluşturarak yapılan deneyleri ve sayısal sonuçları karşılaştırmak böylece CFD tekniğini doğrulayarak karmaşık denizaltı formları için bir temel sağlamaktır. Suboff projesi kapsamında sekiz temel denizaltı konfigürasyonu tanımlanmıştır. Konfigürasyonlar denizaltının takıntılarını değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. AFF-1 konfigürasyonu yalın gövde formuna sahipken AFF-8 konfigürasyonu tam takıntılı gövde formu ile yapılmıştır. Denizaltılarla ilk deney DTRC (David Taylor Research Center) kuruluşunda gerçekleştirilmiştir. DTRC-5470 ve DTRC-5471 gövde modelleri AFF-1 geometrileridir. DTRC-5470 modelinin su tünelinde, DTRC-5471 modelinin ise rüzgar tünelinde deneyleri gerçekleştirilmiştir. Aynı geometri yapılarında olmasına rağmen, deneylerde gövdeye yerleştirilen basınç ölçerlerin yerleri farklı oldukları için bu şekilde isimlendirilmişlerdir. Bu çalışmada, deney sonuçları ile karşılaştırma yapmak için AFF-8 modeli, çözüm ağı yapısının doğrulanması için AFF-1 modeli kullanılmıştır. Analizler Star CCM+ programı kullanılarak sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Programın arka planında kullanılan matematik ve türbülans modelleri hakkında teorik olarak ayrıntılı bilgi verilmiştir. RANS türbülans modeli kullanılmıştır. Akış alanı sonlu hacimler yöntemi ile ayrıklaştırılmış olup, Navier-Stokes denklemlerinin türetilmesine yer verilmiştir. Sayısal analiz sonuçları ile çekme testlerinin sonuçları altı farklı hız değeri için karşılaştırılmıştır. Çıkan kuvvet değerleri deneylerle tasdik edildikten sonra k epsilon (k-ε) türbülans modeli ile devam edilmesine karar verilmiştir. Çalışma kapsamında yelkenin önder kenarına yuvarlatma formu uygulanmış olup, formun hatları doğru, parabol, elips ve daire denklemlerinden türetilmiştir. 3.051 m/s hızında ve sıfır derece hücum açısında yapılan analizlerde elips denklemi ile oluşturulan formun en az direnç değerini sağladığı görülmüştür. Analiz sonuçlarının görsellerinden de anlaşılacağı gibi, direnç değerinin düşürülmesi, yelken kök girdabında azalma ile sonuçlanmıştır. Çalışmanın sonraki aşamasında, elips denklemi kullanarak oluşturulan yuvarlatma formu için optimum uzunluk ve yüksekliği belirlemek amacıyla beş farklı geometrik form çalışılarak analizlere devam edilmiştir. Sonuçları yorumlamak için, analiz sonucunda ulaşılan kuvvet değerine ve yelkenin etrafına çeşitli düzlemler atayarak düzlem üzerindeki yüzey ortalamasına dayanan, basınç, girdap, türbülans kinetik enerjisi değerlerine bakılmış olup, AFF-8 model denizaltısının iyileştirme uygulanmamış sonuçları ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın dördüncü aşamasında farklı hız değerlerinde elips geometrisinin etkisi de incelenmiş ve hücum kenarı dolgusu kullanılarak yelken kökü girdabının azalacağı kanıtlanmıştır. Çalışma sonuçları, yelken önder kenarına hücum kenarı yuvarlatma formu kullanmanın, sürükleme kuvvetini yüzde 3,4'e kadar düşürebileceğini ve yelken kökü girdabını gözle görülür şekilde azalttığını göstermektedir. Yeni nesil denizatılarda takıntı etrafındaki akış ayrışmalarını düzenlemek ve artan sürüklenme kuvvetini azaltmak için önder kenar yuvarlatması kullanılmasının faydalı olacağı ispatlanmıştır. Yelkenin önder kenarında yapılan optimum geometri değişikliğinin akışı önemli ölçüde düzenlediği görüldüğünden, denizaltının gürültüsünü azaltarak gizliliğine katkıda buluncağı öngörülmüştür. Son olarak, bu çalışmanın ilerlemesiyle, yelken önder kenarında yapılan bu geometri değişiminin denizaltının gürültü seviyesini nasıl etkilediğini anlamaya yönelik çalışmaların devam edebileceği, akış özelliklerinin nasıl etkilendiğine dair genel bir sonuca varmak için, bu çalışmanın diğer denizaltı modellerinde tekrarlanabileceği önerilmiştir.

Özet (Çeviri)

Since submarines were actively used in World War 1, they have played a significant military role for navies. Submarines are the first war machines ever created with stealth as its primary characteristic. The basic concept behind it is to build a weapons delivery platform that is undetectable to enemies as it approaches a target and then escapes after attacking. Although it is difficult to hide in an ocean environment with massive machine systems, they are not detectable because of the advanced technology. Their features for stealthiness include such technologies as rubber coating over hulls, nuclear-powered propulsion systems, silent running modes, and hydrodynamically designed hull forms. Submarines have cylindrical pressure hulls that are hydrodynamically designed according to the intended use of the vehicle in order to uniformly distribute the pressure force. Appendages like sails are required for the control surfaces to properly perform stability and maneuverability, provide storage places, or allow for crew evacuation. This produces vortex generation, which deteriorates the incoming flow and causes junction flow separations. It also increases drag force and makes it possible to detect submarines. In this study, to arrange the flow around a sail, it is aimed to reduce the sail root vortex occurring at the sail hull junction by adding various fillets to the leading edge of the sail. The fully appended AFF-8 form of the Darpa Suboff submarine was used as a model. The analyses were performed numerically using the Star CCM+ program, and the results of the towing tank tests were compared for six different velocity values. It was determined to proceed with the k- ε turbulence model after validation. The main outline of the leading edge fillets was created according to the straight, parabola, ellipse, and circle equation forms. In the analyses performed at 3.051 m/s and a zero-degree angle of attack, the ellipse equation produced the least drag force. As can be seen from the visualizations of the analysis results, lowering the drag force value resulted in a reduction in the sail root vortex. In the second and third stage of the study, five different geometries were studied in order to determine the optimum length and height for the fillet formed by the ellipse equation. The effect of ellipse geometry at different velocity values was also examined in the fourth stage of the study and it was proven that the sail root vortex would decrease with using leading edge fillet. The study results show that using a leading edge fillet to the sail hull junction can reduce drag force by up to 3.4 percent, consequently reducing the sail root vortex. In new generation submarines, it is recommended to use a leading edge fillet around the sail to minimize the noise created by flow separations and increase privacy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    886413

    Theoretical application analysis of a wind assisted propulsion system (WAPS) 'rotor sails' on the bulk carrier

    Rüzgar destekli tahrik sistemlerinden (WAPS) 'rotor sail''in dökme yük gemisinde teorik uygulama analizi

    ALTEMUR GÜLEÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TANZER SATIR

  2. Tez No

    421217

    Geniş ambar ağzı açıklıklı konteyner gemilerindeki çarpılmanın incelenmesi

    Investigation of warping of large container ships

    TUĞÇE EROL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL

  3. Tez No

    350560

    Understanding the aerodynamics around a set of flying sails using experimental and theoretical techniques

    Deneysel ve teorik yöntemleri kullanarak birtakım yelken modellerinin etrafındaki aerodinamik akışın incelenmesi

    ERSİN DANIŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA İNSEL

  4. Tez No

    398109

    Bilyeli rulman hasarlarının titreşim analizi ile tespiti ve gemi makinelerinde kestirimci bakım uygulaması

    Detection of ball bearings defects by vibration analysis and implementation of predictive maintenance on ship's machinery

    MURAT ÇİMEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

  5. Tez No

    350470

    Yüzey kirliliğinin gemi direnci üzerindeki etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of fouling on ship resistance

    YİĞİT KEMAL DEMİREL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN TAYLAN

Geri Dön