The sensitivity analysis of manoeuvring derivatives on a VLCC with turning circle simulation tests
Manevra türevlerinin dönme dairesi simülasyonu kullanılarak bir VLCC gemisi üzerinde hassasiyet analizi
- Tez No: 887656
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 101
Özet
6 serbestlik derecesinde hareket eden bir gemi sakin su durumunda ileri ötelenme, yanal ötelenme ve savrulma hareketlerini yapar. Bu hareketler ise geminin manevra yeteneğini belirler. Bir geminin kontrollü bir şekilde istenilen bir rotaya manevra yapabilmesi ve belirli bir rotayı muhafaza etme çabası manevra kabiliyeti olarak tanımlanabilir. Dalıp-çıkma, baş-kıç vurma ve yalpa hareketleri daha çok denizcilik analizi maksadıyla incelense de manevra hesaplarında da hesaba katılabilmektedir. Manevra performansı gerek askeri gerekse ticari gemiler için oldukça önemli bir konudur ve henüz tasarım aşamasında manevra kabiliyetlerine yönelik tahminler yapılmak istenir. Savaş gemilerinde su altı ve su üstü harpte manevranın önemi öne çıkarken ticari gemilerde seyir rotasında kalma, çatışmalardan kaçınma, kanallarda ve limanlarda zorlanmadan manevra yapma söz konusu olduğunda büyük önem arz etmektedir. Uluslarası Denizcilik Örgütü (IMO), gemiler için minimum manevra performans kriterlerini şart koşmaktadır. Gemilerin servis ömrü göz önünde bulundurulduğunda en önemli performans kriterlerinden biri olan manevra performansına yönelik ön dizayn aşamasında bir takım tahminlerin yapılması gerekmektedir. Bu tahminlerin yapılması için ise maliyet, zaman ve doğruluk üçgeninde en verimli olan yöntem ile yola çıkılmalıdır. Sistem tanılama metotları bu noktada en cazip yöntemlerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Sistem tanılama yöntemi, deneysel veriler ile istatiksel yöntemlere dayanarak doğrusal ve doğrusal olmayan bileşenlerden oluşan bir matematiksel modelin oluşturulması olarak tanımlanabilir. Belli girdi ve çıktılar vasıtası ile oluşturulan bu model daha sonra farklı girdiler ile de kullanılabilmektedir. Çok hızlı bir şekilde sonuç veren bu yöntemin doğruluk oranı da nispeten yüksektir. Fakat hidrodinamik katsayıların elde edilmesi bu yöntem için bir dezavantaj olarak tanımlanabilir. Manevranın hidrodinamik kuvvet ve moment türevleri model gemi deneyleri veya hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile hesaplanabilir ve hidrodinamik türevlerin boyutsuzlaştırılması ile hidrodinamik katsayılar elde edilir. Hidrodinamik katsayıların elde edilmesi için yapılan deneylerde statik sürüklenme testi, salt yanal öteleme, statik dümen testi, savrulma-sürüklenme veya salt savrulma gibi testler gerçekleştirilmektedir. Deney verileri ışığında da bir matematiksel model oluşturulabilir. Abkowitz ve MMG modelleri literatürde kabul görmüş en önemli matematiksel modellerdir. Abkowitz tekne üzerine etki eden kuvvetleri bir arada hesaplarken MMG modüler bir yaklaşımla tekne, pervane ve dümen üzerinde ayrı ayrı hesaplamaktadır. Amerikan Loydu (ABS), MARAD sistematik seri deney verilerini kullanarak bu şekilde bir modüler matematiksel model önermiştir. Bölüm 2'de ayrıntılı bir şekilde anlatılan bu modelde tekne, pervane ve dümen üzerine etki eden kuvvetler ayrı ayrı ele alınmıştır. Ayrıca bu modelde kendi kendini sevk noktasının dışına çıktığında bunlar için düzeltmeyi temsil eden bileşenler de yer almaktadır. Bölüm 3'te bu bileşenlerin önemli derecelerde etkilerinin olduğu izah edilmiştir. Öte yandan ihmal edilecek düzeyde etkiye sahip bileşenlerde mevcuttur. ABS bu modeli kendi müşterilerine ön dizayn aşamasında kullanılması için tavsiye etmektedir. Matematiksel modellerde yer alan hidrodinamik türevlerin manevra karakteristiklerine ne kadar etki ettiği bir araştırma konusudur. Çeşitli şekillerde gerçekleştirilecek bu araştırma yöntemlerinden biri de hassasiyet analizidir. Hassasiyet analizinde, sistem tanılama yöntemi ile oluşturulmuş matematik modeli üzerinde hidrodinamik katsayıların belli miktarlarda değişimleri ile manevra indislerine etkileri araştırılır. Bu araştırma için ise bir matematiksel model, bu modelde yer alan hidrodinamik katsayıların değerleri ve manevra simülasyonu gerçekleştirilecek gemiye ait bilgilerin olması yeterlidir. İteratif yöntemle gerçekleştirilen sayısal simülasyonlarla ileri ve yanal ötelenme yönündeki kuvvetler ve savrulma momenti değerleri bulunarak çeşitli manevra indisleri hesaplanır. Böylece manevra indisleri vasıtası ile etki dereceleri ihmal edilecek olan katsayıların denklemden çıkarılması ile daha sade ve yeni bir matematiksel model oluşturulabilir. Literatürde Abkowitz ve MMG matematik modelleri olmak üzere birçok model özelinde hassasiyet analizleri araştırılmıştır. Bu analizler ışığında matematiksel modellerde yeni türevlerin modele katılması veya bazı türevlerin modelden çıkarılması ile daha farklı matematiksel modeller önerilmektedir. Fakat ABS modeline yönelik bir hassasiyet analizi literatürde mevcut değildir. Bu tezde ABS matematik modeli özelinde sayısal simülasyonlar yapılarak hassasiyet analizi gerçekleştirilmiştir. MARAD sistematik seri gemi formlarından bir VLCC gemisine sayısal simülasyonlar ile dönme manevrası simülasyonları gerçekleştirilerek hidrodinamik katsayıların etkileri araştırılmıştır. Sayısal çalışmalar MATLAB platformunda gerçekleştirilmiştir. Dönme manevrası simülasyonları, 3 knot ve 15 knot olmak üzere iki farklı hızda sancak ve iskele yönüne ayrı ayrı incelenmiştir. Böylece değişken hızlarda da hidrodinamik katsayılar incelenmiştir. Hidrodinamik katsayıların her birindeki %10 'luk artış ve azalışın etkileri her manevra simülasyonunda tekrarlanmıştır. Simülasyonlar ilerleme, transfer, taktik çap ve daimî dönme çapı manevra indisleri üzerinde en fazla etki derecesine sahip ve ihmal edilebilir etkiye sahip katsayılar tespit edilip sunulmuştur. Yapılan analizlerde, manevra indisleri üzerinde en çok savrulma momenti türevleri, ardından yanal ötelenme kuvveti türevleri ve son olarak ileri ötelenme kuvvetinin türevleri etmektedir. Kuvvet ve momentlerin de birinci dereceden türevleri en çok etki derecesine sahiptir. İlerleme manevra indisi üzerinde dümenin gemi formuna kıyasla daha etkili olduğu transfer, taktik çap ve daimî dönme çapı üzerinde ise gemi formunun dümene kıyasla daha etkili olduğu görülmüştür. Gemi hızına bağlı olarak manevra indisleri üzerindeki olumlu etkilerin (daha dar bir çapta manevra senaryosu) hız arttıkça arttığı görülmektedir. Düşük hızda ise manevra indislerine olumsuz (daha geniş bir manevra senaryosu) etkiyen hidrodinamik katsayıların etkisinin daha fazla olduğu ve bu olumsuz etkinin arttığı görülmüştür. Ayrıca iskele ve sancak yönüne gerçekleştirilen manevra simülasyonlarında, pervanenin saat yönüne dönüşü sebebiyle oluşan yanal pervane kuvvetinin iskele yönünde manevranın daha dar çapta gerçekleşmesini sağlamıştır. Literatürdeki çalışmalar ile elde edilen sonuçlar arasında uyum olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışma 4 başlık altında incelenmiştir. Bölüm 1'de literatür taraması, manevra ile ilgili tanımlar, manevra tahminleri konularında bilgiler yer almaktadır. Bölüm 2'de nümerik simülasyonlarda kullanılan matematiksel modelin doğrusal ve doğrusal olmayan denklemlerinden bahsedilmiştir. Bölüm 3'te gerçekleştirilen sayısal simülasyon bilgileri verilmiş ve simülasyon çıktıları tablo ve grafiklerle sunulmuştur. Bölüm 4'te ise sonuçlar özetlenerek yorumlanmıştır.
Özet (Çeviri)
A ship moving in six degrees of freedom (6DOF) exhibits surge, sway and yaw movements in calm water horizontally and these motions determine the manoeuvrability of the ship. Manoeuvrability can be defined as the ability of a vessel to manoeuvre to a desired course in a controlled manner and the effort required to maintain a given course. Although heave, pitch and roll motions are usually studied for seakeeping analysis, they can also be included in manoeuvring calculations. The International Maritime Organisation (IMO) requires ships to meet minimum manoeuvring performance criteria. In considering the service life of the ships, it is important to make predictions at the preliminary design stage with regard to manoeuvring performance, which is one of the most important performance criteria. In order to make these predictions, it is necessary to begin with the most efficient method in the triangle of cost, time and accuracy. System identification methods represent a particularly attractive methodology at this point. The system identification method can be defined as the construction of a mathematical model comprising both linear and non-linear components, based on experimental data and statistical methods. The accuracy of this method, which gives very quick results, is also relatively high. However, obtaining hydrodynamic coefficients can be defined as a disadvantage of this method. The hydrodynamic force and moment derivatives of the manoeuvre can be calculated by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations or experimental model tests. The hydrodynamic coefficients are obtained by nondimensionalising the hydrodynamic derivatives. A mathematical model can be constructed based on experimental and numerical data. Abkowitz and MMG models are the most widely accepted mathematical models in the academic literature. American Bureau of Shipping (ABS) has proposed a mathematical model based on MARAD systematic series experiment data. ABS recommends this model to its clients for use in the preliminary design stage. The impact of hydrodynamic derivatives on the manoeuvring characteristics of the mathematical model is a subject of ongoing research. One of these research methods to be carried out in various ways is sensitivity analysis. In sensitivity analysis, the effects of certain deviations of the hydrodynamic coefficients on the manoeuvring indices are investigated by mathematical models. This enables the creation of a simpler and new mathematical model by removing the coefficients whose effect degrees will be neglected from the equation. In the existing literature, there have been investigations into the application of sensitivity analyses to a number of different models, including Abkowitz and MMG mathematical models. However, there is no evidence of a sensitivity analysis having been conducted on the ABS model. The objective of this thesis was to perform numerical simulations using the ABS mathematical model which derived by system identification method and to carry out a sensitivity analysis. The effects of hydrodynamic coefficients are investigated by simulating the turning manoeuvre of a VLCC ship using numerical simulations. The coefficients with the highest and least impact on the turning manoeuvre are identified and presented. This study is analysed under four headings. Section 1 contains a literature review and basic information. Section 2 outlines the linear and non-linear equations of the mathematical model used in numerical simulations. Section 3 provides information on the numerical simulations and presents the simulation outputs. Finally, Section 4 summarises the results and offers an interpretation.
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
- Darpa suboff formunun lineer hidrodinamik katsayıları üzerindeki ölçek etkisi
Scale effects on the linear hydrodynamic coefficients of darpa suboff
FURKAN KIYÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Differential flatness-based fuzzy controller design for aggressive maneuvering of quadcopters
Çok rotorlu hava araçlarının agresif manevra kontrolü için diferansiyel düzlük tabanlı bulanık kontrolör tasarımı
ÇAĞRI GÜZAY
Doktora
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR
- Incremental nonlinear dynamic inversion based trajectory tracking controller for an agile quadrotor
Çevik bir döner kanat hava aracı artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme tabanlı yörünge izleme denetleyicisi
EMRE SALDIRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Liman bölgesi emisyon kaynaklarının tespiti, emisyon tahmini, azaltılması için uygulamalar ve yenilenebilir enerjiye dayalı bir yaklaşım
Determination of emission sources, emission forecasting, implications for reduction and a renewable energy-based approach
ALPER SEYHAN
Doktora
Türkçe
2023
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ DENİZ