Geri Dön

Exploring the propulsion performance of a gate rudder system as a novel energy saving device

Yenilikçi bir eenerji tasarruf cihazı olarak geçit dümen sisteminin sevk performansının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 859591
  2. Yazar: AHMET YUSUF GÜRKAN
  3. Danışmanlar: PROF. UĞUR ORAL ÜNAL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 212

Özet

Uluslararası Denizcilik Kurumu (IMO)'nun mevcut ve yeni inşa edilen gemileri kapsayan, aşamalı olarak yürürlüğe sokmakta olduğu düzenlemelerden dolayı, gemilerdeki enerji verimliliklerinin arttırılması oldukça önem arz etmektedir. Yenilikçi bir dizayna sahip olan Geçit Dümen Sistemi (GRS), gemi manevra operasyonunu gerçekleştirmesi öncül görevi olmasına yanı sıra, oldukça etkili bir enerji tasarrufu cihazı olarak da değerlendirilmektedir. Her ne kadar literatürde GRS üzerine yapılan detaylı araştırmalar bulunsa da, geçit dümen sisteminin form yapısının gemi sevk performansına olan etkisi detaylı olarak ele alınmadığı saptanmıştır. Bu çalışmada; geçit dümen geometrisi tam parametrik olarak modellenmiş ve seçilen dizayn değişkenlerinin, gemi sevk performansına olan etkileri incelenmiştir. Böylece, geçit dümenin form yapısı ve gemi arasındaki etkileşimi detaylı ele alarak literatürdeki önemli bir boşluğun doldurulması hedeflenmiştir. Bu çalışmada, gemi sevk hesaplamaları Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile yapılmıştır. HAD çalışmaları, yapılan analizlerin kapsamına göre, hem zamandan bağımsız hem de zamana bağlı olacak şekilde Reynolds ortalaması alınmış Navier-Stokes (RANS / URANS) method ile incelenmiştir. Hesaplamalar, yapılan hesaplama amacına bağlı olarak k-ε Gerçeklenebilir (ing. Realisable) türbülans modeli veya SST (Shear Stress Transport) k-ω türbülans modeli ile gerçekleştirilmiştir. Serbest yüzey etkilerinin hesaplamalara dahil edildiği durumda çift fazlı akış, VoF (ing. Volume of Fluid) yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Sevk incelemelerinin yapıldığı analizlerde pervane etkileri iki farklı şekilde ele alınmıştır. Bunlardan ilki; hesaplama maliyetini düşüren sanal disk (ing. Virtual Disk) yöntemi, ikincisi ise pervane dönüşünün direkt olarak modellendiği kayan mesh (ing. Sliding Mesh) yöntemidir. Geçerleme ve doğrulama çalışması, ilk GRS uygulamasının yapıldı Japon Konteyner Gemisi (JCV) SHIGENOBU üzerinden gerçekleştirilmiştir. Farklı pervane modelleme yöntemleri ve türbülans modeli incelemeleri bu aşamada yapılmıştır. Doğrulama çalışmalarında, GATERS projesi kapsamındaki deneyleri gerçekleştirilmiş, düşük model ölçekli sonuçlar kullanılmıştır. Değerlendirmeler; geminin sevk hızına karşılık gelen durumda, tam yüklü su çekimi değeri için, geminin sevk parametreleri ve geçit dümenin kuvvetleri üzerinden yapılmıştır. Standart gerçeleme çalışmasına ek olarak, HAD hesaplamalarında kullanılan ITTC standartlarındaki akış hacmi üzerinde sistematik bir basitleştirme çalışması yapılmıştır. En nihayetinde, serbest yüzey etkilerinin ve pervane hareketlerinin dahil edildiği hesaplamalı modelden; serbest yüzey etkilerinin çıkartıldığı, sanal diskin kullanıldı ve kısmi çift bölge (ing. Double Model) modele yakınsanmıştır. Böylece xxx hesaplama maliyeti oldukça yüksek olan hassasiyet (DoE) çalışmalarını daha verimli olarak gerçekleştirmek mümkün olmuştur. Parametrik modell üç aşamada, farklı dümen bölgelerine odaklanarak hazırlanmıştır. Bu odak kısımları için toplamda on adet dizayn değişkeni tanımlanmıştır. Bu kısımlardan ilki dümen dikey kısmı için tanımlanan dizayn değişkenleri; dümen açısı, dümenlerin pervaneye göre eksenel konumu, dümen ucuna doğru olan çatıklık açısı ve dümen yelpazesi yan oranıdır. İkinci kısım ise dümen kanat ucu ve ilgili değişkenleri; kanat ucunun yanal yönde pervaneye doğru kaydırma miktarı, kaydırma işleminin yelpaze boyunca etki ettiği dikey mesafe ve bu mesafeden itibaren geçerli lokal kanat ucu çatıklığı derecesidir. Son olarak dümenin üst bölgesindeki ilgili dizayn değişkenleri; dümen üst bölge kanat profilinin hücum açısı, üst bölgenin dümen şaftına göre açısı ve yelpazenin omuz şekil faktörüdür. Toplamda hassasiyet analizlerinin (DoE) yapılacağı üç adet çözüm matris, bu değişkenler için belirlenen minimum ve maksimum sınırları için oluşturulmuştur. Tam parametrik Bilgisayar Destekli Dizayn (CAD) modeli, parametrik incelemeler için özelleşmiş CAESES arayüzünde hazırlanmış ve hassasiyet çalışması yine aynı program ortamında otomatik olarak gerçekleştirilmiştir. Bu otomasyon aynı zamanda, oluşturulan her dizayn adayı için dümen operasyonlarını riske atmayacak geometrik kısıt kontrolleri içermektedir. Hassasiyet çalışmalarında oluşturulan dizayn noktaları (DP) için SOBOL algoritması kullanılmıştır. Bu algoritma sayesinde; incelenen dizayn değişkenleri için tanımlanan sınırlar içinde, rasgele ve eşit dengeli bir değer ataması yapılmıştır. DoE çalışmalarında, oluşturulan her DP için kendi sevk noktaları bulunmuş ve sevk değişkenleri üzerinden hassasiyet analizlerine dahil edilmiştir. Hassasiyet çalışmalarında sırasıyla 100, 50 ve 50 adet olmak üzere, birbirinden farklı dizayn noktası üretilmiştir. DoE çalışmaları, her bir DoE çalışmasından seçilen potansiyel en iyi noktalar üzerinden peşi sıra gerçekleştirilmiştir. Ayrıca seçilen bazı önemli dizaynlar arasında detaylı akış incelemeleri yapılmıştır. Hassasiyet çalışmaları sonucunda, en etkili dizayn değişkeninin, şaft gücüne olan baskın etkisiyle dümen açısı olduğu belirlenmiş. Buna ek olarak, dümen yelpaze ucunun pervaneye doğu yaklaştırılması, şaft gücünü olumsuz şekilde etkilemeden pervane kuvvetlerinde azalma sağladığı saptanmıştır. Son olarak, GRS'in eksenel konumu, gemiye yaklaştıkça olumlu etkilerinin olabileceği raporlanmıştır. Hassasiyet çalışmalarından elde edilen en önemli sonuçlardan birinin; en iyi sevk performansı sağlayan geçit dümen sisteminin, aynı zamanda en yüksek pozitif (itme) kuvveti sağlayan dümen olmadığı saptanmıştır. Geçit dümen sisteminin yalnızca pervaneyle olan etkileşimi, gemi kıç bölgesiyle olan etkileşiminin de oldukça önem arz ettiği bulunmuştur. Dümen yelpazesinin önünde oluşan yüksek basınç bölgesi sonucunda oluşan bu etkiye“Basınç geri kazanım kuvveti”adı verilmiştir. Dolayısıyla en iyi sevk noktasına ulaşmak için, bu iki kuvvetin maksimum olduğu, dolaylı olarak itme azalmasının minimum olduğu, dizayna noktasına ulaşmak hedeflenmelidir. Buna ek olara, geçi dümen aynı zamanda bir nozul gibi de davrandığı için pervane eksenindeki gemi izine de etkisi oldukça fazladır. Dolayısıyla hem itme azalması hem de iz parametrelerini kapsan, gemi gövde verimliliği nihai amaç fonksiyonu olarak değerlendirilebilir. Bu tez kapsamında belirlenen ve en baskın dizayn değişkeni olan dümen açısı, herhangi bir geometrik değişikliğe ihtiyaç duymadan yalnızca köprü üstü operasyonu xxxi sırasında kontrol edilebileceği için, gemi seyir tecrübelerinde dikkate alınması tavsiye edilmiştir. Bu çalışmanın odak gemisinin seyir tecrübeleri sırasında dümen açısı değiştirilerek, sevk verimi üzerindeki etkileri ölçülmüştür. Yapılan seyir tecrübesi ölçümleri, benzer koşullarda yapılan, yüksek duyarlılıktaki HAD modeli ile de incelenmiş ve tam ölçekte ek doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalarda; geleneksel dümen (CRS), tasarlanan dümen açısındaki GRS ve önerilen dümen açısındaki GRS performansları detaylı olarak incelenmiştir. Bu doğrulama çalışmasında; yalnızca GRS performans değerlendirmesi yüksek doğruluktaki HAD modeli ile hesaplanabildiği kanıtlanmamış, ayrıca hassasiyet çalışmalarında öngörülen yaklaşık %4'lük ek güç kazanımları da doğrulanmıştır. Ayrıca pervane tork kimliklendirme yöntemi ile, GRS pervane itmesinin yüksek doğrulukta hesaplanabildiği tespit edilmiştir. Fakat, geleneksel dümen sistemindeki sevk parametreleri, GRS'teki gibi yüksek doğrulukta hesaplanamamıştır. Bunun durumun; geleneksel dümen sisteminde pervanenin ortam değişkenlerine daha fazla maruz kalmasından, gemi savrulma hareketinin ve dolayısıyla dümen hareketlerinin GRS'e göre bağıl olarak daha fazla olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca, doğrulama yapılan hassasiyeti yüksek HAD analizleri, yapılan DoE çalışmaları arasından seçilen her aşamanın en iyi dizayn adayları üzerinde de detaylı akış analizleri yapılmıştır. Inceleme uzayda elde edilen en iyi GRS modelinin, daha düşük girdap oluşturma eğiliminde olduğu ve dümen yelpazesi üzerinde daha düşük kuvvet osilasyonları olduğu tespit edilmiştir. Son olarak, seçilen en etkili; dümen açısı, dümen sisteminin gemi boyuna konumu ve dümen kanat ucunun pervane eksenine ötelenmesi, değişkenlerinin dahil edildiği bir seri ek DoE çalışması farklı gemiler için gerçekleştirilmiştir. Birbirinden farklı boylarda ve operasyon koşullarındaki toplam üç gemi için gerçekleştirilen bu ek çalışmalarda, tezin bazı çıkarımları test edilmiştir.

Özet (Çeviri)

International Maritime Organization (IMO)'s regulations, gradually implemented, covering existing and newly built ships, make it crucial to enhance the energy efficiency of vessels. The innovative design of the Gated Rudder System (GRS) is also considered an effective energy-saving device. In this study, the gate rudder geometry was modelled parametrically, and a sensitivity study was conducted in three stages, focusing on different rudder portions. In the Design of Experiment (DoE) studies, calculations were performed using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. In the automatically conducted DoE studies, each new design had its own self propulsion point, and an investigation was carried out based on separated self-propulsion point for each design. CFD studies were examined with the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS/URANS) method, which is both time and time-dependent, depending on the scope of the analyses. Calculations were performed using the k-ε Realizable turbulence model and the Shear Stress Transport (SST) k-ω turbulence model according to the calculation purpose. When free surface effects are included in the calculations, two-phase flow is simulated using the Volume of Fluid (VoF) method. In the analyses where propulsion investigations were conducted, propeller effects were considered in two different ways. The first one is the virtual disk method, which reduces computational cost, and the second one is the sliding mesh method, where propeller rotation is directly modelled. Validation and verification were performed through the first GRS application on the Japanese Container Ship (JCV) SHIGENOBU. Different propeller modelling approaches and turbulence model investigation were conducted at this stage. In this study, the experiment measurements, which were conducted as part of the GATERS project, for a very small model-scale, were used. Evaluations were made based on the ship's propulsion parameters and gate rudder forces for the fully loaded draft condition at the ship's service speed. In addition to the standard verification study, a systematic simplification study was carried out on the fluid domain in the CFD calculations according to the ITTC standards. Finally, the computational model including free surface effects and propeller motions was converged to a partial double-body model excluding the free surface effects and using the virtual disk, enabling to perform DoE studies with high computational cost in more efficient way. The fully parametric Computer-Aided Design (CAD) model was prepared in the CAESES interface. A sensitivity study was conducted through three main DoE studies focusing on the vertical part of the rudder blade, the rudder blade tip, and the rudder shoulder/upper parts, over ten different design variables. In the sensitivity studies, 100, xxviii 50, and 50 different design points (DP) were produced in sequence. In DoE studies, investigations were conducted on potential best points selected from each DoE study, consecutively. Additionally, detailed flow analyses were conducted among selected designs. As a result of sensitivity studies, the most effective design variables were determined, and it was found that the interaction of the GRS not only with the rudder propeller but also with the rudder ship hull is highly significant. For the examination of the effects of the determined and dominant design variable, rudder angle, it is recommended to take into account during sea trials of the study ship M/V ERGE. In this study, the effects of changing the rudder angle during sea trials of the study ship were measured. These measurements were also examined with a high fidelity CFD model for similar conditions, and full-scale additional validation studies were conducted. In these studies, the performances of the conventional rudder (CRS), the GRS with the designed rudder angle, and the GRS with the recommended rudder angle were examined in detail. In this validation study, not only was the performance evaluation of the GRS proven to be accurately calculated with CFD, but also the power gains predicted in the sensitivity studies were confirmed. Finally, a series of additional DoE studies were conducted, including the most effective design variables: rudder angle, the longitudinal position of the rudder system on the ship, and the offset of the rudder blade tip to the propeller axis. In these additional benchmark studies, conducted for a total of three different ships of various sizes and operating conditions, some outcome from the thesis were tested.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    855296

    Design, methodology development and production of composite cryogenic liquid oxygen tank for space applications

    Uzay uygulamalarına yönelik kompozit kriyojenik sıvı oksijen tank tasarımı, metodoloji geliştirilmesi ve üretimi

    RECEP UFUK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE

    DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU

  2. Tez No

    807029

    Impact of hydrogen addition on combustion characteristics in a swirl-stabilized partially premixed combustor

    Gırdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odasına hidrojen ilavesinin yanma karakteristiklerine etkisi

    TUĞBA KARASU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR

  3. Tez No

    859865

    Modeling of the marine diesel engines with comparative machine learning methodologies

    Gemi dizel motorların karşılaştırmalı makine öğrenmesi yöntemleri ile modellenmesi

    MEHMET İLTER ÖZMEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

  4. Tez No

    675955

    Modelling longitudinal motion of an electric vehicle and wheel slip control through NN based uncertainty prediction

    Elektrikli aracın boyuna hareketinin modellenmesi ve yapay sinir ağı tabanlı belirsizlik kestirimli tekerlek kayma kontrolü

    DUYGU ÖZYILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA

  5. Tez No

    439720

    CODAG ile tahrik edilen askeri bir geminin sevk sistemi eksenel ve burulma titreşim analizi

    Axial and torsional vibration analysis of a naval vesel propulsion system driven by CODAG

    ABDULLAH GÖKTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

Geri Dön