Serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen dinamik yüklerin analizi ve tayini
Analysis and determination of dynamic loads affecting boats and similar solid objects in free surface turbulent flows
- Tez No: 940970
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deniz Bilimleri, Gemi Mühendisliği, Marine Science, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 249
Özet
Yapılan çalışma türbülanslı serbest yüzeyli akışlarda hareket eden bot ve benzeri cisimlere etkiyen yüklerin tayini için başlatılmıştır. Bu tip akışlarda sıvı filmin ve türbülansın etkilerinden dolayı hareket eden botun veya katı cismin yörüngesinin, izleyeceği yolun belirlenmesi belirli zorlukları barındırmaktadır. Bu yolun düzgün bir biçimde belirlenememesi, hatalı bir şekilde ön görülmesi tasarım ve optimizasyon hatalarına yol açabileceği gibi ek ciddi kazalara ve istenmeyen kayıplara sebebiyet verebilmektedir. Bu yüzden bahsedilen kazaların önlenmesi hataların ve kayıpların asgari düzeyde tutulabilmesi için bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen yüklerin analiz ve numerik yöntemlerle gerçekçi bir biçimde elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Mühendislik açısından bakıldığında serbest yüzeyli akışlar gaz ve sıvı fazı bir arada bulunurken botunda sisteme dahil edilmesiyle katı fazı da içeren 3 fazlı bir akış sistemi söz konusudur. Üç fazı içeren bu tip sistemlere ait problemlerin çözümünde matematiksel modellemenin doğru yapılması, problemin numerik olarak çözümünün düzgün bir biçimde gerçekleştirilmesi ve analiz sistematiğinin oluşturulması önemlidir. Özellikle şişirilebilir botlar özelinde bakıldığında botun içerisindeki havanın bota visko-elastik bir yapı kazandırması da gerçek hayattaki sistemin analizini daha zor hale getirmektedir. Tüm bunlar göz önünde bulundurularak yapılan çalışmada serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda hareket eden botlara etkiyen yüklerin hesaplanması amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri yapılmıştır. Yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde daha önceden yapılan araştırmalar ve analizler neticesinde uygun görülen SST k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Cismin hareketinin düzgün bir biçimde tanımlanabilmesi için çakıştırılmış ağ tekniği kullanılmıştır. Serbest yüzey yakalama modeli olarak literatürde ve araştırma projelerinde yaygınca kullanılan akışkan hacimleri (VOF) yöntemi kullanılmıştır. Analizler serbest yüzeyli akışlarda iyi sonuç verdiği bilinen SC-Flow programında gerçekleştirilmiştir. Analizlerin sonucunda farklı ağırlıklarda, farklı debilerde ve farklı film kalınlıklarındaki kayma gerilmeleri ve hız değerleri toplanmıştır. Yapılan hesaplamalı akışanlar dinamiği analizlerinde ITTC kılavuzları takip edilmiştir. ITTC'nin hesaplamalı akışkanlar dinamiği için gemilere ve yüzen cisimlere özgü oluşturduğu bu kılavuzlardaki tavsiyelere uyulmuştur. Analizler bu kılavuzlara uygun olarak yapılmıştır. Analizlere paralel olarak deney çalışmaları sürdürülmüştür. Deney çalışmalarında sıcak telli (hot-wire) ve yapışkan uç (glue-on probe) sensörler kullanılmıştır. İlk olarak bu sensörlerin kalibrasyon deneyi yapılmıştır. Kalibrasyon deneyinde hız değerleri ve özellikleri bilinen bir boru içerisinde akış gerçekleştirilmiş frekans ayarlı pompa, ultrasonik debimetre, voltaj değerlerini nitelikli veriye dönüştürmek için mini-CTA cihazı kullanılmış. Gürültünün önlenmesi amacıyla akış ve mini-CTA topraklanmıştır. Kalibrasyondan sonra yeni bir deney düzeneği oluşturularak bota benzer bir cisim CTP materyalden yapılmış ve bu katı cisme etkiyen kayma gerilmelerine ek olarak farklı debilerde ve farklı istasyonlardaki hız değerleri toplanmıştır. Toplanan hız değerleri ve kayma gerilemeleri değerlerinden yola çıkılarak en küçük kareler yöntemiyle eğriler oluşturulmuştur. Yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde deney düzeneği birebir olarak modellenmiş ve ölçümlerin hata oranları değerlendirilmiştir. Analizlere ve ölçümlere ilişkin olarak belirsizlik analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar kabul edilebilir aralıktadır. Bu analizler ve ölçümler model ölçeğinde yapıldığından ölçek etkisi göz önünde bulundurulmuş ve geliştirilen sistematik sayesinde gerçek ölçekli model deneylerine ve analizlerine geçilmiştir. Gerçek bot ile yapılan deneylerde Vernier cihazı ile hız ve ivme ölçümleri; Dewesoft ve IMU cihazlarının yardımıyla ise hız değerleri farklı debilerde toplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizlerinden elde edilen kayma gerilmesi değerleri interpolasyon yöntemiyle bir eğriye dönüştürülmüştür. Sonrasında kayma gerilmeleri değerlerinden yola çıkılarak ve ağırlık hesabı yapılarak anlık sürtünme katsayısı değerleri elde edilmiştir. Elde edilen sürtünme katsayısı değerleriyle gerçek boyutlu modelle hareket analizleri yapılarak hız ve ivme değerleri elde edilmiştir. Deneylerde elde edilen hız ve ivme değerleri hareket analizi sonucunda elde dilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Buna ek olarak daha önceden ampirik formüllere dayalı olarak elde edilen sürtünme katsayılarıyla yapılan hareket analizi sonuçlarıyla da karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneye ve hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizlerine dayalı olarak geliştirilen katsayıların daha iyi sonuç verdiğini göstermekte ve kabul edilebilir aralıktadır. Bu bakımdan bakıldığında sonuç olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde kullanılan girdilerin sistem için doğru sonuçlar verdiği bu sayede elde edilen katsayıların bu tip botların yörüngesinin tayininde daha gerçekçi sonuçlar verdiği görülmüştür. Buna bağlı olarak ta bir analiz sistematiği geliştirilmiştir. Çalışma sonradan yapılacak çalışmalara örnek olması açısından da önemini korumaktadır. İlerideki çalışmalarda farklı kanal yapıları ve bot tipleri için benzer analiz sistematiği kullanılarak karşılaştırmalı çalışmalar çoğaltılabilir. Buradan yola çıkılarak daha fazlı tipteki yüzen katı cisim ve botlar için tasarım ve optimizasyon çalışmaları yapılabilir.
Özet (Çeviri)
The study has been initiated to determine the forces acting on solid objects, such as boats, moving in turbulent free-surface flows. In flows of this type, the trajectory of a boat or a solid object is challenging to predict due to the effects of the liquid film and turbulence. Failure to accurately determine or anticipate this trajectory can lead to design and optimization errors, as well as serious accidents and unwanted losses. Therefore, obtaining realistic loads on boats and similar solid objects through analysis and numerical methods is crucial to prevent these accidents and minimize errors and losses. From an engineering perspective, free-surface flows involve a combination of gas and liquid phases, and when a boat is introduced into the system, it becomes a three-phase flow system, including the solid phase. Correct mathematical modeling, accurate numerical solution of the problem, and the establishment of an analysis framework are crucial in solving problems related to systems involving three phases. Specifically, in the case of inflatable boats, the introduction of air into the boat complicates the analysis of the real-life system by imparting a viscoelastic structure to the boat. Free-surface turbulent flows play a significant role in various engineering and scientific fields. These flows typically occur between liquids and gases, on the surface of water, or between two different liquids. Turbulent flows on the surface of water are crucial in hydraulic engineering applications such as water resource management, water transportation, irrigation systems, and dam design. Understanding these flows is essential for the proper management of water resources and the sustainable use of water. Moreover, free-surface turbulent flows are critical in maritime and shipbuilding for the analysis of ship resistance, wave interactions, and the design of underwater platforms. Accurate analysis in these areas are important for optimizing ship performance. Free-surface turbulent flows are used in modeling and understanding atmospheric conditions and ocean currents. This is vital for weather forecasts, climate change studies, and marine sciences. These flows are important in the management of rivers and lakes, water quality monitoring, and sustainable use of water resources and crucial in the design of water turbines for hydroelectric power generation and in the utilization of renewable energy sources such as tidal energy. Free-surface turbulent flows in the sea are important in understanding the environmental effects, including waves and currents, during oil and gas extraction operations. This understanding is necessary for planning safe operations and assessing environmental impacts. Studies in these areas aim to understand, predict, and control the mechanisms of free-surface turbulent flows. This knowledge is essential for the successful completion of engineering projects and the effective utilization of natural resources. In this context, Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis play a crucial role in optimizing engineering designs of free surface flows. By simulating airflow and fluid flow, CFD provides valuable insights to designers, enabling them to enhance the efficiency and effectiveness of products or systems. CFD analysis, widely used in industries such as aviation, automotive, shipbuilding, and energy, allow the assessment of a product's or system's performance. Examining factors like aerodynamics, heat transfer, pressure distribution, and more, these analysis guide the improvement of design performance. Physical prototyping and testing processes can be expensive. CFD analysis offer cost savings by identifying design flaws or weaknesses through virtual prototype testing. This allows for faster and more economical development of products. CFD analyses provide the ability to assess a product's durability and reliability. Understanding how a product will behave, especially under extreme conditions (such as high temperatures, pressure changes, and airflow velocities), can enhance product reliability. CFD analyses can be employed to develop solutions for reducing the environmental impact of industrial processes. By increasing energy efficiency and decreasing waste production, these analysis support environmental sustainability. CFD analysis serves as a crucial tool in the development of new technologies and the improvement of existing ones. Advanced CFD simulations are particularly used to understand complex flow patterns and interactions. For these reasons, CFD analysis is indispensable in this study to examine the motion of a boat under free surface flows. Taking all these factors into account, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses were conducted in the study to calculate the forces acting on boats moving in turbulent free-surface flows. The SST k-ω turbulence model, deemed suitable based on previous research and analyses, was used in the CFD analyses. The immersed boundary technique was employed to define the motion of the object accurately. The Volume of Fluid (VOF) method, widely used in literature and research projects as a free surface capturing model, was utilized. The analyses were carried out in the SC-Flow program, known for providing good results in free-surface flows. Different shear stresses and velocity values were collected for various weights, flow rates, and film thicknesses from the analysis results. In the Computational Fluid Dynamics analyses, ITTC guidelines were followed. Recommendations specific to ships and floating objects in the guidelines created by ITTC for computational fluid dynamics were adhered to in the analyses. The analyses were conducted following these guidelines. Concurrently with the analyses, experimental studies were conducted using hot-wire and hot-probe sensors. Calibration experiments were performed first for these sensors. In the calibration experiment, the flow was carried out in a pipe with known velocity values and characteristics, using a frequency-adjustable pump, ultrasonic flowmeter, and mini-CTA device to convert voltage values into qualified data. Flow and mini-CTA were grounded to prevent noise. Following calibration, a new experimental setup was created, and a solid object similar to a boat was made of CTP material. Different velocity values at various stations and shear stresses acting on this solid object were collected in addition to those acting on the object. Using the collected velocity values and shear stresses, curves were created using the least squares method. In the Computational Fluid Dynamics analyses, the experimental setup was modeled exactly, and the error rates of the measurements were evaluated. Uncertainty analyses were conducted regarding the analyses and measurements. The obtained results are within an acceptable range. Since the analyses and measurements were performed at the model scale, the scale effect was taken into account, and with the developed systematic, real-scale model experiments and analyses were conducted. In the experiments with the real boat, velocity and acceleration measurements were made using Vernier devices, and velocity values were collected using Dewesoft and IMU devices at different flow rates. The shear stress values obtained from Computational Fluid Dynamics analyses were converted into a curve using the interpolation method. Subsequently, the shear stress values were integrated, and instantaneous friction coefficient values were obtained by performing weight calculations. With the obtained friction coefficient values, motion analyses were conducted with a real-sized model to obtain velocity and acceleration values. The velocity and acceleration values obtained in the experiments were compared with the values obtained from the motion analysis. Additionally, they were compared with the results of motion analyses based on empirically derived friction coefficients. The results indicate that the coefficients developed based on the Computational Fluid Dynamics analyses provide better results and are within an acceptable range. In this regard, it is seen that the inputs used in Computational Fluid Dynamics provide accurate results for the system, and thus, the coefficients obtained yield more realistic results in determining the trajectories of such boats. Consequently, an analysis of systematics has been developed. The significance of the study also lies in serving as an example for future research. Comparative studies can be expanded by using similar analysis systematics for different channel structures and types of boats in future studies. Building upon this, design and optimization studies can be conducted for various types of floating solid objects and boats.
Benzer Tezler
- Discrete vortex method simulation of Karman vortex street-edge interaction
Karman Girdap caddesi-cisim etkileşiminin ayrık girdap yöntemiyle incelenmesi
METİN O. KAYA
Doktora
İngilizce
1992
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. C. RUHİ KAYKAYOĞLU
- Cilalı serbest yüzeyli akımlarda cidar kayma gerilmelerinin sürtünme faktörüne etkisi
The effect of wall shear stress on friction factor in smooth open channel flows
AHMET BİLGİL
Doktora
Türkçe
1998
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER YÜKSEK
- Düşey borularda çok fazlı akışların modellenmesinde deneysel ve nümerik analiz
Başlık çevirisi yok
BENGÜ ATLANÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
- İki fazlı düşey akımların modellenmesi
Modelling of two phase flows
ERTAN BARIN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL