Maneuvering of high speed displacement vessels in regular waves
Yüksek hızlı deplasman gemilerinin düzenli dalgalarda manevraları
- Tez No: 833315
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 328
Özet
Gemilerin manevra performansının değerlendirilmesi, analizi ve doğrulanması genellikle sakin su koşullarında yürütülmektedir. Gerçek çevre koşullarını tamamen sakin su ile temsil etmek gerçekçi olmamakla birlikte, manevra problemlerinde dalga etkilerini temsil etmek için ampirik düzeltme faktörleri çözüm ortamına dahil edilmektedir. Aslında dalgalarda gemi performansının değerlendirilmesi, geminin farklı deniz koşullarında seyrettiği ve dümen açısının sıfır olduğu varsayımıyla, denizcilik başlığı altında incelenir. Bununla birlikte, geminin farklı deniz koşullarında manevra karakteristiklerinin ortaya çıkarılması için, manevra parametreleri gözetilerek, dalga kaynaklı kuvvet ve momentler ile gemi arasındaki daha karmaşık olan ilişki incelenmelidir. Uluslararası Denizcilik Örgütü (International Maritime Organization – IMO) standart manevra testlerini zorunlu hale getirmiş, ticari gemiler için sakin su koşullarında dönme dairesi, zig-zag ve durma performansları için yönergeler oluşturmuştur. IMO'nun Enerji Verimliliği Tasarım İndeksi (Energy Efficiency Design Index – EEDI) ile gemilerde enerji verimliliğinin arttırılması ve gemi kaynaklı emisyonunun azaltılması hedeflenmiştir. Söz konusu indeksi sağlamak için gemi hızının düşürülmesi uygulamalı bir çözüm olsa bile, bu çözüm manevra performansını ve seyir emniyetini etkileyebilmektedir. Bu nedenle, IMO olumsuz seyir koşullarında manevra kabiliyetini kaybetmemek için gerekli minimum sevk gücünü hesaplayan bir yönerge yayınlamıştır. Benzer şekilde, güncel NATO manevra standartları dalgalı koşullarda manevra performansı ile ilişkin kriterleri kapsamaktadır. Bu yönerge ve standartların yayınlanmasıyla, farklı deniz koşullarında manevra kabiliyetini araştıran çalışmalara olan ilgi hızla artmıştır. Bu doktora tezi, dalgalarda manevra performansının kapsamlı bir incelemesini sunarak, dalga ve gemi etkileşimi hakkında fikir edinmeyi ve bu etkileşimi matematiksel bir manevra modeli geliştirmek için kullanmayı amaçlamaktadır. Araştırma, çözüm yöntemlerinin entegrasyonunu geliştirmek için deneysel yöntemlerin ve hesaplamalı analiz tekniklerinin pratik sistem tabanlı yöntemlere uyarlanmasına odaklanmaktadır. Bu tezin temel amacı, dalga yüklerinin karmaşık özelliklerini sistematik olarak ortaya çıkarmak ve bu yüklerin manevra performansının değerlendirilmesi üzerindeki etkisini göstermektir. Araştırma, sakin suda manevra performansına ilişkin geleneksel inceleme ile olumsuz koşullarda bir geminin manevra kabiliyetini sürdürmek için gereken minimum itme gücünü belirlemeye yönelik artan talep arasındaki boşluğu kapatmayı amaçlamaktadır. Çalışmada, çeşitli araştırma tekniklerini birleştiren sistematik bir yaklaşım kullanılmıştır. Amaca ulaşmak için sistem tabanlı bir matematiksel yöntemin yanı sıra laboratuvar deneyleri ve simülasyon tabanlı analizler ile çalışılmıştır. Metodoloji, teorik modellemeyi, hesaplamalı simülasyonları ve pratik matematiksel yöntemleri kapsamaktadır. Literatürde ortalama dalga yüklerini hesaplayan pratik ampirik ifadeler yer almaktadır. Araştırmada ilk olarak ampirik yöntemlerin incelenmesine yer verilmiştir. Daha sonra, denesel ve sayısal veriler elde edildiğinde, sonuçlar ampirik yöntem sonuçları ile kıyaslanmıştır. Araştırma, pratik bir deneysel yaklaşım ve hesaplama yöntemleriyle elde edilen ortalama dalga yüklerinin, yani boyuna öteleme dalga kuvveti, yanal öteleme dalga kuvveti ve savrulma dalga momentinin, sistem tabanlı matematiksel modele entegre edilmesinin, sistem tabanlı modellerin kapasitesini önemli ölçüde artırabileceğini ortaya koymaktadır. ONR Tumblehome (ONRT) modelinin manevra kabiliyeti, sıfır hız koşulu altında farklı dalga boyu/gemi boyu oranı ve dalga dikliğine sahip üç düzenli dalga durumu altında deneysel olarak incelenmiştir. Düzenli dalgalar“H/λ=0.020, λ/L_WL=1.00”,“H/λ=0.020, λ/L_WL=0.50”ve“H/λ=0.025, λ/L_WL=1.00”özelliklerine sahiptir. Modelin pruva açısı 0° ile 180° arasında 15°'lik açılarla yatay düzlemsel hareket mekanizması (Planar Motion Mechanism – PMM) kullanılarak değiştirilmiş, üç boyutlu hareketi pantograf ile sağlanmıştır. Düzenli dalgalar halinde modele etki eden kuvvet ve momentler ölçülmüş, zamana bağlı dalga grafikleri oluşturulmuştur. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, deneysel koşulları temsil edecek şekilde H/λ=0.020, λ/L_WL=1.00 dalga durumu için yürütülmüştür. Burada esas amaç, sayısal analizlerin dalgalarda manevra karakteristiklerinin tahmininde deneysel yöntemler yerine kullanılabilirliğini göstermektir. Bunun için, sayısal analiz çıktıları deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Ardından sakin suda ONRT modelinin manevra karakteristikleri doğrudan simüle edilerek, dönme dairesi parametreleri sistem tabanlı modelden elde edilen sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Veri işleme aşamasında temel analiz prosedürleri tercih edilerek, frekans bölgesinde sıfırıncı frekansa karşılık gelen ve ortalama dalga yüklerini temsil eden değerlere ulaşılmıştır. Tespit edilen dalga kuvvetleri ve momentleri, dalgaların bir geminin manevra performansı üzerindeki etkisini tahmin etmek için hareket denklemlerine dahil edilmiştir. Geminin dalgalardaki davranışını göstermek için basitleştirilmiş bir matematiksel model, boyuna öteleme, yanal öteleme, yalpa ve savrulma hareketlerini kapsayan doğrusal olmayan dört hareket denklemi ile temsil edilmiştir. Standart manevra testlerinden biri olan dönme dairesi, farklı dalga koşullarında simüle edilmiştir. Dalga yüklerinin ilerleme, taktik çap, transfer ve dönme çapı gibi parametrelere ve zamana bağlı diğer parametrelere olan etkileri literatürde yer alan mevcut sonuçlarla karşılaştırılarak incelenmiştir. Bu tez ile, zorlu deniz koşullarında“manevra kabiliyetini koruma”kavramını aydınlatmayı amaçlayan araştırmalara, deneysel girişimlere ve yazılım geliştirme projelerine yeni bir yaklaşım katılması hedeflenmiştir. Bulgular, yeni yaklaşımlarla geliştirilen manevra uygulamalarına dalga koşullarının uyarlanmasının önemini vurgulamaktadır. Bu araştırmadan elde edilen bilgilerin, gemi mühendisliği alanında faaliyet gösteren araştırmacılar için geniş kapsamlı çıkarımlara sahip olduğu düşünülmektedir. Sunulan çerçeve, manevra performansına ve seyir güvenliğine rehberlik edebilecek bütüncül bir bakış açısı sağlayabilir. Bu tezin bulguları faaliyet dönemi 2021-2023 yılları olan ve hala devam eden Dalgalarda Manevra Yapan Askeri Gemilere Yönelik Deneylerin ve Tahmin Yöntemlerinin Değerlendirilmesi (Assessment of Experiments and Prediction Methods for Naval Ships Maneuvering in Waves) isimli faaliyette sunulacaktır. Faaliyet, Uygulamalı Araç Teknolojisi (Applied Vehicle Technolgy-AVT) kapsamında yürütülmekte ve AVT-348 kodu ile anılmaktadır. Sonuç olarak, bu doktora tezi, daha sonra dalga yüklerinin geminin manevra performansı üzerindeki etkisini gösteren sistem tabanlı modelde kullanmak üzere, düzenli dalgalarda boyuna öteleme ve yanal öteleme dalga kuvvetleri ile savrulma dalga momentini elde etmek için pratik bir deneysel ve sayısal yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This doctoral thesis presents a comprehensive exploration of maneuvering performance in waves, aiming to gain insight into the interactive behavior of waves and vessels and use this interaction to develop a mathematical model of maneuvering in waves. The research focuses on the adaptation of experimental methods, practical system-based methods, and computational analysis techniques to enhance the integration of solution methods. The central objective of this thesis is to systematically reveal the complicated characteristics of mean wave drift loads. Additionally, the thesis aims to demonstrate the influence of these loads on the assessment of maneuvering performance. The research seeks to bridge the gap between traditional investigation of maneuvering in calm water and growing demand for determining the minimum propulsion power needed to maintain a ship's maneuverability in adverse conditions. The study employs a systematic approach, combining various research techniques. It utilizes a system-based mathematical method along with laboratory experiments and simulation-based analyses to achieve its objectives. The methodology encompasses theoretical modeling, computational simulations, and practical measurements. The research reveals that integrating mean wave drift loads, namely surge wave drift force, sway wave drift force, and yaw wave drift moment, obtained with a practical experimental approach or computational methods, can significantly enhance the capacity of system-based models. The data reduction procedure enables to reach of zeroth-frequency values representing the mean wave drift loads. This thesis contributes a novel approach to research endeavors, experimental initiatives, and software development projects aimed at elucidating the concept of“maintaining maneuverability”in challenging sea conditions. The findings underscore the importance of adapting wave conditions to maneuvering applications developed with new approaches. The insights from this research hold wide-ranging implications for ocean engineering practitioners and researchers. The presented framework offers a holistic perspective that can guide maneuvering performance and navigational safety. The findings of this thesis will be also presented in the activity named“Assessment of Experiments and Prediction Methods for Naval Ships Maneuvering in Waves”, the activity period of which is 2021-2023 and still continues. The activity is carried out within the scope of Applied Vehicle Technology (AVT) and is referred to by the code AVT-348. In conclusion, this doctoral thesis presents a practical experimental and numerical approach to achieve surge, sway, and yaw wave drift loads in regular waves which are then used to demonstrate the effect of wave-related loads on the maneuvering performance of surface vessels. The measured wave drift forces and moments are incorporated into the equations of motion for maneuvering to predict the effect of waves on the maneuvering performance of a vessel. A simplified mathematical model to show the behavior of the vessel in waves is represented by four nonlinear equations of motion for surge, sway, yaw, and roll. The turning circle, which is one of the standard maneuvering tests is simulated for ONR Tumblehome (ONRT) at different wave conditions in order to demonstrate the effect of wave drift forces on the trajectories and time histories of maneuvering parameters.
Benzer Tezler
- Development of experimental captive and free-running manoeuvring systems and their cross-validation
Çekme ve takip modlu manevra deney sistemlerinin geliştirilmesi ve bunların kıyaslamalı doğrulaması
MÜNİR CANSIN ÖZDEN
Doktora
İngilizce
2021
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GÖREN
PROF. DR. KADİR SARIÖZ
- Addressing parametric uncertainties in autonomous cargo ship heading control
Otonom kargo gemisi yön kontrolündeki parametrik belirsizliklerin ele alınması
AHMAD IRHAM JAMBAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. İSMAİL BAYEZİT
- 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
- Taşıtlarda meydana gelen kızaklama olayının sonlu elemanlar yöntemiyle analiz edilmesi
Analysis of the hydroplaning phenomena occurs on vehicles with finite element method
MURAT ŞAKACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- İnsansız hava aracı için bir borda bilgisayarının mimarisi ve tasarımı
Başlık çevirisi yok
SAİT N. YURT
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. T. BERAT KARYOT