Computational investigation of the effects of the propeller diameter on the self-propulsion performance of a submarine at different forward speeds
Pervane çapının bir denizaltının farklı ileri hızlardaki sevk performansına etkilerinin hesaplamalı olarak incelenmesi
- Tez No: 807318
- Danışmanlar: PROF. DR. EMİN KORKUT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 123
Özet
Bir denizaltının sevk sistemi tarafından üretilen gücün mümkün olduğunca verimli kullanılması gerekmektedir. Çünkü, yüksek bir sevk verimi denizaltının satıha olan bağımlılığını azaltmakta ve operasyonal kabiliyetlerini geliştirmektedir. Günümüze kadar çeşitli parametrelerdeki değişimlerin denizaltıların sevk performansı üzerindeki etkileri üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmiş olmasına rağmen bazı parametrelerin hâlâ daha ayrıntılı bir biçimde ele alınması gerekmektedir. Pervane geometrisinin en önemli karakteristiklerinden biri olan pervane çapı, daha derinlemesine bir inceleme gerektiren bu parametrelerden biridir. Zira, pervane çapının denizaltıların sevk performansı üzerindeki etkileri çoğunlukla açık literatürde yer alan metodolojisi açıklanmamış bazı genelleştirilmiş diyagramlar ile sunulmaktadır. Özellikle denizaltı sevki üzerine yoğunlaşarak denizaltı hidrodinamiği alanındaki geçmiş çalışmaları özetleyen Bölüm 1.1'deki literatür taraması, diğer tüm ayrıntıları ve yıllar içerisinde konu bağlamında gerçekleşen gelişmeleri kronolojik olarak açıklamaktadır. Öte yandan, bu tezde sunulan çalışmanın dayanak noktası için daha fazla açıklama Bölüm 1.2'de yer almaktadır. Bölüm 2'de çalışma boyunca benimsenen gemi mühendisliği temelli mühendislik terminolojisi açıklanmaktadır. Bu kapsamda, deniz pervanelerinin performanslarını ve denizaltıların sevk katsayılarını karakterize eden boyutsuz parametrelerin tanımları verilmektedir. Ayrıca, açık su ve sevk analizleri için kullanılan yöntemlerin yanı sıra itme özdeşliği ve tork özdeşliği yöntemlerinin ilkeleri de Bölüm 2'de açıklanmaktadır. Bu çalışma, pervane çapının denizaltı sevk performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi maksadıyla viskoz akış tabanlı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerinden yararlanmaktadır. Bu bağlamda, incelemelere tabi tutulan cisimlerin etrafındaki sıkıştırılamaz akışı çözmek için çalışma boyunca RANS yaklaşımı, SST k-ω türbülans modeli ile birlikte kullanılmıştır ve çalışma kapsamında akım daimi olarak kabul edilmiştir. Pervaneden kaynaklanan rotasyonel hareketin modellenmesinin gerektiği hesaplamalar için ise ek olarak MRF yöntemi uygulanmıştır. Çözülecek denklemler akış hacminde sonlu hacimler yöntemi aracılığı ile ayrıklaştırılmış olup bu denklemlerin iteratif bir biçimde çözülmesi için basınç ve hız terimleri arasındaki eşleştirme SIMPLE algoritması ile sağlanmıştır. Bölüm 3'te akışkanlar dinamiğinin yönetici denklemlerinin tanıtılmasından başlanarak bahse konu hesaplamalı teknikler için bilimsel temelleri ile birlikte derinlemesine açıklamalar temin edilmektedir. Bu çalışma dahilinde mekansal ayrıklaştırmadan kaynaklanan belirsizliğin değerlendirilmesi için kullanılmış olan GCI yönteminin uygulama prosedürü de Bölüm 3'te açıklanmaktadır. Hesaplamalı analizler için tam takıntılı jenerik denizaltı modeli DARPA Suboff AFF8 kullanılmış olup bu denizaltı modeli farklı çaplardaki jenerik INSEAN E1619 denizaltı pervaneleri ile sevk edilmiştir. DARPA Suboff AFF8'i sevk etmek için pervane çapının maksimum tekne çapına oranını sırasıyla 0.516, 0.606 ve 0.697 şeklindeki uygun değerler olacak biçimde veren 0.262 m, 0.308 m ve 0.354 m çapındaki üç farklı INSEAN E1619 pervanesi seçilmiştir. Pervane çapındaki değişimin etkilerini tutarlı bir şekilde değerlendirebilmek maksadıyla pervanelerin denizaltı üzerindeki boyuna konumları oluşturulan montaj geometrilerinde sabit tutulmuştur. Ayrıca, açık su durumunda analiz etmek üzere 0.262 m, 0.308 m ve 0.354 m çaplarındaki izole pervane geometrileri de hazırlanmıştır. Kullanılan geometriler ile ilgili daha fazla ayrıntı Bölüm 4'te verilmektedir. Hesaplama süreci, vaka çalışmalarına geçebilmek için gerçekleştirilmesi gerekli olan verifikasyon ve validasyon çalışmaları ile başlamıştır. Bu bağlamda, DARPA Suboff AFF8'in direnç karakteristikleri ve 0.485 m çapındaki tam ölçekli INSEAN E1619'un açık su karakteristikleri için kullanılan çözüm yöntemlerinin verifikasyonu ve validasyonu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, 0.262 m çapındaki INSEAN E1619 ile sevk edilen DARPA Suboff AFF8'in sevk karakteristikleri için de bir validasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Verifikasyon çalışmaları ağ bağımlılığı analizleri yürütülerek denklemlerin doğru bir biçimde çözüldüğünü kanıtlamak için gerçekleştirilirken validasyon çalışmaları ise uygulanan yöntemlerden elde edilen çözümlerin fiziksel gerçekliği yansıtıp yansıtmadığını saptamak için gerçekleştirilmiştir. Verifikasyon ve validasyon çalışmaları adım adım olacak şekilde Bölüm 5.1'de açıklanmaktadır. Uygulanacak çözüm stratejilerinin doğrulanmasının ardından tam ölçekli INSEAN E1619'un açık su hesaplamaları için kullanılmış olan verifikasyonu ve validasyonu gerçekleştirilmiş yöntemin yapısı temel alınarak ölçekli INSEAN E1619 pervanelerinin açık su hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar ile birlikte, sevk katsayılarının hesaplanmasında kullanılmak üzere bu ölçekli pervanelerin açık su eğrileri elde edilmiştir. Sonraki aşamada ise çalışmalar, belirlenen çaplardaki INSEAN E1619 pervaneleri tarafından sevk edilen DARPA Suboff AFF8'in üç farklı denizaltı ileri hızındaki sevk karakteristiklerinin ortaya koyulması amacıyla, kendi sevki için valide edilmiş olan yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiş sevk hesaplamaları ile devam etmiştir. Vaka çalışmalarına dair ayrıntılı bilgi Bölüm 5.2'de verilmektedir. Hesaplamalardan elde edilen veriler, üç farklı ileri hızdaki pervane-denizaltı çiftlerinin sevk katsayılarının itme özdeşliği yönteminden yararlanılarak hesaplanması adına girdi olarak kullanılmıştır. Elde edilen sevk katsayılarının pervane çapının maksimum tekne çapına oranına ve denizaltı ileri hızına göre değişimleri eğriler ile gösterilmiş ve bu ilişkiler üzerinden ayrıntılı bir değerlendirme yapılmıştır. Ayrıca, bu çalışma ile elde edilen veri seti literatüre daha önce sunulmuş veriler ile de karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Sevk katsayılarının hesaplanması ve elde edilen veriler üzerinden gerçekleştirilen değerlendirmeler tüm ayrıntıları ile birlikte Bölüm 5.3'te sunulmaktadır. Öte yandan, sevk analizlerinden elde edilen verilerin işlenmesi ile denizaltı gerisindeki akımın özelliklerine odaklanan görsel incelemeler gerçekleştirilmiştir. Görselleştirme çalışmaları kapsamlı tartışmaları ile birlikte Bölüm 5.4'te sunulmaktadır. Pervaneye sağlanması gereken devirlerin aynı denizaltı ileri hızı için pervane çapı arttıkça azaldığı gösterilmiştir. Ancak, pervane çapı arttıkça sevk noktalarındaki pervane devirleri azalsa da pervanenin tork gereksiniminin arttığı gözlemlenmektedir. Ayrıca, sevk katsayılarının pervane çapından önemli ölçüde etkilendiği tespit edilmiştir. Pervane çapındaki değişimden kaynaklanan en büyük değişiklikler, pervane çapı %35 arttırıldığında %45.5'lik bir azalma olarak gözlemlenecek şekilde Taylor iz katsayısında meydana gelmektedir. Bu nedenle, bir denizaltının pervane çapı belirlenirken Taylor iz katsayısının analizine özel bir önem gösterilmesinin son derece kritik olduğu sonucuna varılmaktadır. Öte yandan, pervane çapı %35 arttırıldığında bağıl dönme veriminde sadece %6'ya varan bir artış meydana geldiğinden dolayı pervane çapındaki değişimin bağıl dönme verimi üzerindeki etkisinin zayıf olduğu kanaatine varılmıştır. Ayrıca; denizaltı ileri hızının, sevk verimi hariç tüm sevk katsayılarını etkilediği gösterilmiştir. Bu durum, sevk katsayılarının sevk verimine olan toplam katkısının denizaltı ileri hızından bağımsız davrandığını ancak tekil etkilerinin bu parametre ile değiştiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, bu çalışma dahilinde sevk katsayıları için çizilen eğrilerin eğilimlerinin literatürdekiler ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, bu çalışmada elde edilen sevk katsayıları ile literatürde mevcut olan ilgili veriler arasında bazı sapmalar bulunmaktadır. Literatürdeki çalışmalarda geometrik özellikleri DARPA Suboff AFF8 ve INSEAN E1619 çiftinden farklı olan pervane-denizaltı çiftlerinin kullanılmış olma ihtimalinin ve tüm bu çalışmalarda yer alan analizlerdeki var olan belirsizliğin bu farklılıklara sebep olabileceği değerlendirilmektedir. Ayrıca, pervane çapındaki değişikliklerin denizaltının iz akımında dikkate değer değişimlere sebebiyet verdiği görsel olarak gösterilmiştir. Bu bağlamda; aynı sevk noktasında, pervane çapı arttıkça denizaltı izindeki türbülans seviyelerinin azaldığı görülürken pervane çapının arttırılmasının aynı zamanda denizaltı izindeki akımın daha stabil bir yapıya kavuşmasını sağladığı net bir biçimde anlaşılmaktadır. Daha ayrıntılı sonuç hükümleri, konuya yönelik olarak gelecekte gerçekleştirilebilecek çalışmalar için verilen öneriler ile birlikte Bölüm 6'da sunulmaktadır.
Özet (Çeviri)
The power generated by the propulsion system of a submarine must be used as efficient as possible due to a high propulsive efficiency reduces the dependency of the submarine to the surface and thus enhance its operational capabilities. Although several studies have been conducted in order to investigate the effects of the changes in a variety of parameters on the submarine self-propulsion performance up to now, some parameters are still needed to be discussed in more detail. The propeller diameter, one of the most important characteristics of the propeller geometry, is one of these parameters which needs deeper investigation into the topic. Since, the effects of the propeller diameter on the self-propulsion performance of the submarines are usually presented by some generalized diagrams in the open literature whose derivation methodology are not explained. The literature review in Chapter 1.1 which summarizes the past studies related to the field of the submarine hydrodynamics focusing especially on the submarine self-propulsion explains all other details and the developments regard to the topic over the years in the chronological order. On the other hand, further explanations for the base point of the study presented in this thesis exist in Chapter 1.2. In Chapter 2, the naval architectural based engineering terminology adopted throughout the study are described. In this context, definitions for the non-dimensional parameters which characterize the performance of the marine propellers and the propulsive factors of the submarines are given. In addition, the methods used for the open water and the self-propulsion analyses as well as the principles of the thrust identity and the torque identity methods are explained in Chapter 2. The present study utilizes the viscous flow based computational fluid dynamics methods for the analyses carried out with the aim of the investigation of the effects of the propeller diameter on the submarine self-propulsion performance. In this regard, RANS approach was used along with the SST k-ω turbulence model throughout the study in order to solve the incompressible flow around the bodies subjected to the examinations and the flow was assumed to be steady in the scope of the study. For the computations where the rotational motion due to the propeller is required to be modelled, the MRF method was additionally applied. The equations to be solved were discretized in the flow domain by means of finite volume method, on the other hand, the coupling between the pressure and the velocity terms was satisfied by the SIMPLE algorithm in order to solve these equations in an iterative manner. In Chapter 3, in-depth explanations are provided for these computational techniques among with their scientific basis starting from the introduce of the governing equations of the fluid dynamics. The application procedure of the GCI method which was used to assess the uncertainty due to the spatial discretization in the present study is also explained in Chapter 3. For the computational analyses, the fully-appended generic submarine model DARPA Suboff AFF8 was used whereas this submarine model was propelled by the generic INSEAN E1619 submarine propellers in different diameters. Three different INSEAN E1619 propellers having diameters of 0.262 m, 0.308 m and 0.354 m were selected which give reasonable values for the ratios of the propeller diameter to the maximum hull diameter to be 0.516, 0.606 and 0.697, respectively to propel DARPA Suboff AFF8. Further details about the geometries used are provided in Chapter 4. The computational process started with the verification and the validation studies which were required to proceed with the case studies. In this regard, the employed solution methods for the resistance characteristics of DARPA Suboff AFF8 and the open water characteristics of the full-scale INSEAN E1619 whose diameter is 0.485 m were verified and validated. Furthermore, a validation study for the self-propulsion characteristics of DARPA Suboff AFF8 propelled by INSEAN E1619 in 0.262 m diameter was also executed. The step-by-step explanations for the verification and the validation studies are presented in Chapter 5.1. After the solution strategies to be adopted were shown to be valid, the open water computations for the scaled INSEAN E1619 propellers were performed based on the structure of the verified and validated method employed for the full-scale INSEAN E1619. With these computations, the open water curves of these scaled propellers were obtained to be used in the stage of the calculation of the propulsive factors. In the next stage, the studies continued with the self-propulsion computations of DARPA Suboff AFF8 propelled by INSEAN E1619 propellers in the determined diameters to yield its propulsive characteristics at three different submarine forward speeds by using the validated method for its self-propulsion. Detailed information into the case studies are provided in Chapter 5.2. The data obtained by the computations were used as the input for the calculation of the propulsive factors of the propeller-submarine couples for three different forward speeds by utilizing from the thrust identity method. The variations of the obtained propulsive factors with respect to the ratio of the propeller diameter to the maximum hull diameter and the submarine forward speed were illustrated by the curves and an elaborate discussion was made through these relationships. Besides, the obtained data set by the present study were also compared with the previous data presented to the literature and discussed. The calculation of the propulsive factors and discussions on the obtained data are presented in Chapter 5.3 with all the details. On the other hand, the visual inspections which focus on to the features of the flow downstream the submarine were carried out by post-processing the data obtained from the self-propulsion analyses. Visualization studies are presented in Chapter 5.4 with their comprehensive discussions. It was demonstrated that the torque requirement of the propeller increases even though the propeller rotational rates at the self-propulsion points reduce as the propeller diameter increases. It was also detected that the propulsive factors are significantly affected by the propeller diameter being the Taylor wake fraction is the most affected one and its analysis requires a special attention in determining the propeller diameter of a submarine. Moreover, it was shown that the submarine forward speed affects all the propulsive factors except the propulsive efficiency. Also, it was observed that the trends of the curves drawn for the propulsive factors in the present study are in compliance with those of in the literature. Besides, it was visually demonstrated that the changes in the propeller diameter alter the wake flow of the submarine remarkably. Further concluding remarks in more detail along with the recommendations for the future studies related to the topic are provided in Chapter 6.
Benzer Tezler
- Süperkavite su altı araçlarının hidrodinamik modellenmesi ve karakteristiğinin incelenmesi
Modelling and investigation of the hydrodynamic characteristics of supercavitating underwater vehicles
SEZER KEFELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELBRUS JAFAROV
- Gemi pervanelerinde ölçek etkisinin açık su karakteristikleri, kavitasyon oluşumu ve kavitasyon erozyonu üzerinde incelenmesi
An investigation into the scale effects on open water, cavitation and erosion characteristics of marine propellers
SELAHATTİN ÖZSAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
- Numerical investigation of maneuvering performance of monohull and multihull marine vessels
Tek gövdeli ve çok gövdeli deniz araçlarının manevra performansının sayısal incelenmesi
SÜLEYMAN DUMAN
Doktora
İngilizce
2022
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Santrifüj pompalarda gövde tasarımının pompa performansına etkilerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile incelenmesi
Investigation of the effects of case design on pump performance in centrifugal pumps using computational fluid dynamics (CFD)
ÖZGÜR AKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADRİ SÜLEYMAN YİĞİT