Yarı dalgıç bir askeri platform tasarımı ve bu platformun hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi
Design and hydrodynamic analysis of a semi-submersible naval platform
- Tez No: 944288
- Danışmanlar: PROF. DR. BARIŞ BARLAS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Marine Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 196
Özet
Savunma sanayinde su altı teknolojisi büyük önem taşımaktadır. Dünya yüzeyinin büyük bölümünün denizlerle kaplı olduğu ve açık denizlerde derinliğin binlerce metreye ulaştığı göz önüne alınırsa bu durum şaşırtıcı değildir. Yarı dalgıç askeri platformlar, bir denizaltı ve bir yüksek hızlı su üstü platformunun üstün özelliklerini bir araya getirerek hem su altında hem de su üstünde görev yapabilen özel amaçlı askeri platformlardır. Bu çalışma kapsamında ülkemizin savunma ihtiyaçları da göz önüne alınarak modern ve özgün bir yarı dalgıç bir askeri platformun kavramsal tasarımının yapılması ve bu tür platformların su altı ve su üstündeki hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca uygun olarak hem su altında hem de su üstünde seyir yapabilen platformların karakteristik özellikleri araştırılmış ve deniz subaylarının görüşlerine başvurularak tasarım önceliklendirme çalışması yürütülmüştür. Sonuçlar 3. Bölüm'de sunulmuştur. Buna göre platformun en önemli özelliklerinin su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ve su altında düşük akustik iz olduğu görülmüştür. Literatürde yer alan sınırlı sayıdaki yarı dalgıç platform tasarımlarından ve bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen tasarım önceliklendirme çalışmasından yola çıkılarak, su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ve su altında düşük akustik iz sağlayan bir kavramsal tasarım geliştirilmiştir. Bu tasarımın özellikleri 4. Bölümde detaylı olarak açıklanmıştır. Tasarlanan yarı dalgıç askeri platformun su hattı boyu 14,78 m, genişliği 2,50 m, su çekimi 78 cm, yüksekliği 3 m, su üstü hızı 30 knot, su altı hızı 5 knot, dalış derinliği 4 m'dir. Platform su üstünde iki adet dizel makine ve su jeti sistemi, su altında ise iki adet elektrik motoru ile sevk edilmektedir. Ayrıca bu tür bir platform için sevk, yük ve dalış hızı hesabı için ön tasarım aşamasında kullanılabilecek basit ve etkin bir yöntem önerilmiştir. 5. Bölüm yürütülen deneysel çalışmaların sonuçlarına ayrılmıştır. Deneysel çalışmalar platform formunun 1/10 ölçekli modeli kullanılarak İTÜ Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda yürütülmüş, su üstü deneyleri ve su altı deneyleri olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Su üstü deneyleri kapsamında direnç, trim ve batma değerlerinin hıza bağlı değişimi incelenmiştir. Froude sayısı 1 değerinin üzerine çıktığında modelin kayma rejimine geçtiği görülmüştür. 3 m/s çekme hızı için yapılan belirsizlik analizi, genişletilmiş deneysel belirsizliğin %1,48 olduğunu göstermiştir. Su altı deneyleri ise üç farklı derinlik ve her bir derinlik için dört farklı hızda yürütülmüş, model üzerine etkiyen direnç değerleri ölçülmüştür. Sabit bir hız için model yüzeye yaklaştıkça direnç kuvvetinin arttığı görülmüştür. Genişletilmiş deneysel belirsizlik değerleri düşük hızlarda yaklaşık %10, yüksek hızlarda ise yaklaşık %1 olarak hesaplanmıştır. Sayısal analizlerde kullanılan matematiksel model ve sayısal çözüm yöntemleri 6. Bölümde açıklanmıştır. Simülasyonlar güncel bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) bilgisayar programı olan Star CCM+ kullanılarak yürütülmüş, Reynolds ortalamalı Navier Stokes denklemleri hücre merkezi tabanlı sonlu hacimler metodu ile ayrıklaştırılarak çözülmüştür. Reynolds gerilmeleri SST k-w türbülans modeli ile hesaplanmış, su ve hava arasındaki serbest yüzey akışkan hacmi yöntemi ile modellenmiştir. Keskin bir ara yüzey yakalayabilmek için, akışkan hacmi taşınım denklemi yüksek çözünürlüklü ara yüzey yakalama şeması ile ayrıklaştırılmıştır. Su altı analizleirnde sabit, su üstü analizlerinde ise hareketli çözüm ağı blokları kullanılmıştır. Basınç alanı ise standart kestirme – düzeltme metodu ile hesaplanmıştır. Analizlerde denklemleri birer birer ele alan iteratif bir çözüm stratejisi benimsenmiştir. Yürütülen sayısal simülasyondan elde edilen bulgular 7. Bölümde açıklanmıştır. Sayısal analizler üç gruba ayrılmıştır. Bunlar derin dalış operasyonu, sığ dalış operasyonu ve su üstü operasyonudur. İlk aşamada yürütülen derin dalış analizleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellemesi en basit problem olduğundan ileri aşamalarda kullanılacak çözüm ağı yapısını optimize etmek amacını taşımaktadır. Daha sonra hem model ölçeğinde hem tam ölçekte gerçekleştirilen sığ dalış analizleri, dalış derinliğinin hidrodinamik kuvvetler ve yunuslama momenti üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Ayrıca tekne etrafındaki hız alanı, basınç alanı ve dalga profili bu bölümde detaylı olarak sunulmuştur. Üçüncü grup analizler model ölçeğinde ve tam ölçekte su üstü performansını incelemektedir. Ayrıca model ölçeğindeki analizler sayısal metodolojinin geçerliliğini ve güvenilirliğini test etme amacını da taşımaktadır. Deney sonuçları ile karşılaştırıldığında sayısal analizler ile belirlenen direnç değerleri için bağıl hatanın %4'ten düşük olduğu saptanmıştır. Platformun 10 knot ile 40 knot hızları arasındaki direnç, trim ve batma değerleri grafik ve çizelgeler halinde sunulmuştur. Dizayn hızı olan 30 knot'ta toplam direnç 15,1 kN, efektif güç gereksinimi ise 233 kW olarak hesaplanmıştır. Tezin son bölümü olan 8. Bölümde hem model ölçeğinin direnç sonuçları üzerindeki etkisi araştırılmış hem de tekne direncinin ölçeklenmesine ilişkin yeni bir metodoloji önerilmiştir. Bu kapsamda 8 farklı Reynolds sayısı ve 2 farklı Froude sayısında toplam 16 HAD simülasyonu yürütülmüş ve boyutsuz direnç katsayısı bileşenlerinin Reynolds sayısına bağlı değişimi grafikler halinde sunulmuştur. Hesaplanan sürtünme direnci değerleri ITTC 1957 eğrisi ile karşılaştırılmış ve sonuçların ampirik denklemle büyük uyum gösterdiği saptanmıştır. Direnç bileşenlerinin toplam direnç içindeki payı model ve tam ölçek arasında önemli ölçüde değişiklik göstermiştir. En düşük model ölçeğinde sürtünme direnci kayma öncesi rejimde toplam direncin %55'ini, kayma rejiminde ise %69'unu oluşturmuştur. Tam ölçekte sürtünme direnci kayma öncesi rejimde %34'e, kayma rejiminde ise %55'e düşmüştür. Önerilen yeni ölçekleme metodolojisi geleneksel yöntemle karşılaştırılmış ve yeni yöntemin geleneksel yönteme kıyasla çeşitli avantajlara sahip olduğu saptanmıştır. Sonuçlara göre tam ölçekte yürütülen HAD analizi ile geleneksel ekstrapolasyon yaklaşımı arasındaki bağıl fark %2,73'tür. Buna karşın yeni yöntem yaklaşık %1 bağıl fark ile daha iyi başarı etmiştir. Yeni yöntemin bir diğer avantajı sayısal belirsizlik hesaplamalarına olanak sağlamasıdır. Yöntemin sayısal belirsizliği yaklaşık %1,2 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma, yarı dalgıç askeri platformların tasarımına yönelik kapsamlı bir metodoloji sunarak, hem deneysel hem de sayısal analizlerle platformun hidrodinamik performansını değerlendirmiştir. Geliştirilen kavramsal tasarım, su üstünde yüksek hız ve manevra kabiliyeti ile su altında düşük akustik iz sağlama hedeflerine uygun şekilde optimize edilmiştir. Yürütülen deneysel çalışmalar, tasarımın performansını doğrularken, HAD analizleri de direnç, trim ve batma değerlerinin yanı sıra ölçekleme metodolojisi için önemli bulgular ortaya koymuştur. Geleneksel yöntemlere kıyasla daha düşük hata payına sahip yeni bir ölçekleme yaklaşımı geliştirilmiş ve model ölçeğinden tam ölçeğe geçiş süreci detaylandırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen tasarımın belirlenen operasyonel gereksinimleri karşıladığını ve gelecekte benzer çalışmalar için güvenilir bir temel sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Underwater technology is of great importance in the defense industry. This is not surprising given that most of the Earth's surface is covered by waters and the depth of the oceans reaches thousands of meters. Semi-submersible naval platforms are special-purpose military platforms that can operate both underwater and on the surface by utilizing the superior features of a submarine and a high-speed surface platform. In order to achieve a successful and well-rounded design, it is necessary to avoid treating a single design element in isolation. This is because design elements often interact with each other and losing control of the interactions of different design elements can lead to a bad result. All elements affecting the design should be considered as pieces of a jig-saw puzzle, where any change in one piece requires some adjustments in the other pieces. Another approach considers the platform as a large system composed of smaller sub-systems and considers design as a complex optimization problem in which all functional objectives and interactions of the components must be considered. In conclusion, when designing a semi-submersible naval platform, a naval architect needs to look at the whole picture and perform a comprehensive prioritization of design elements while identifying all design constraints to achieve the desired outcome. Within the scope of this study, it is aimed to conceptually design a modern and unique semi-submersible naval platform by taking into account the defense needs of our country and to investigate the hydrodynamic properties of such platforms underwater and at surface. In accordance with this purpose, the characteristics of platforms capable of both underwater and surface navigation were investigated and a design prioritization study was carried out by consulting the opinions of naval officers who are experts in the field. The results are presented in Chapter 3. Accordingly, the most important characteristics of the platform were found to be high performance and maneuverability at surface and low acoustic detechtability at underwater. Based on the limited number of semi-submersible platform designs in the open literature and a design prioritization study, a preliminiary design has been developed that provides high speed and maneuverability at surface and low acoustic detachtability at underwater. The design features are described in detail in Chapter 4. The platform's hull form is balanced to enable it to reach high speeds on the surface while generating low resistance in underwater operations. The lifting surfaces (bow and stern fins) placed at the front and rear of the hull are designed to control dive angles and increase course stability. In this way, the maneuverability and operational efficiency of the vessel has been increased. In order to reach the desired design speed in surface operations, two 300 kW diesel propulsion engines and two water jets were used and the propulsion calculations considering the sea margin showed that the platform could reach a speed of 30.23 knots with this combination. In addition, the overall propulsion efficiency at this speed was determined as 56%. The fuel weight required for the platform to reach the cruising diameter suitable for the desired operational profile was determined as 979 kg and the required battery weight was determined as 1117 kg. Total weight of the propulsion equipment together with the fuel is 3.8 tons. This value constitutes approximately 40% of the platforms's design displacement for surface operations. Chapter 5 is devoted to the results of the experimental studies. The experimental studies were carried out with a 1/10 scale model of the platform form and were divided into two groups as surface experiments and submerged experiments. Within the scope of surface experiments, the velocity dependence of resistance, trim and rise-up values were investigated. When the variation of the resistance coefficients with Froude number is examined, it is observed that the total resistance coefficient and the residual resistance coefficient decrease with increasing speed. In addition, it was determined that the model entered the full planing regime from the Froude number value of 0.923 and the trim value followed a horizontal line against the Froude number. This indicates that the area in contact with the water is reduced due to the hydrodynamic lift generated by the hull and thus the residual resistance is minimized. The uncertainty analysis for 3 m/s towing speed showed that the extended experimental uncertainty was 1.48%. Underwater experiments were conducted at three different depths and four different speeds for each depth. The variation of the resistance depending on the submergence depth and speed was analyzed. Since the model was fixed with a 25.4 mm diameter connecting strut, the resistance force acting on the strut was calculated separately from the experimental studies in the open literature and subtracted from the measured resistance and the final results were determined. The measurement results show that at low speeds the effect of submergence depth on the resistance force is very small. At high speeds, as the model approaches the free surface, the change in the pressure field as a result of the interaction is reflected in the resistance results and the model is subjected to higher resistance. The mathematical model and numerical solution methods used for the numerical analysis are described in Chapter 6. The simulations were carried out using Star CCM+, a state of the art computational fluid dynamics package program, and the Reynolds-averaged Navier Stokes equations were solved by discretization with the cell center-based finite volume method. Reynolds stresses were calculated with the SST k-w turbulence model and the free surface between water and air was modeled with the volume of fluid method. Fixed mesh blocks were used for underwater analysis and Overset mesh blocks were used for surface analysis. The pressure field was calculated by the standard pressure correction method. An iterative solution strategy, which considers the equations one by one is adopted. The findings from the numerical simulations are described in Chapter 7. The numerical analyses are divided into three groups. These are deep diving operations, shallow diving operations and surface operations. The deep diving analysis carried out in the first stage and aims to optimize the solution mesh structure to be used in the later stages since it is the simplest problem to model using CFD. In this subsection, the effect of the mesh structure on the resistance results is investigated. CFD analysis was performed using the semi-submersible naval platform form including hull attachments. Simulations are performed for the deep diving case where free surface effects are neglected in the analysis. First, the effect of the computational domain dimensions on the total resistance and frictional resistance was investigated. However, it was observed that the overall size of the computational domain has little effect on both the total and frictional resistance as long as the outlet boundary is placed behind the stern of the platform at a distance twice the length of the platform. The boundary layer expansion factor was found to have a more significant effect on the total resistance of the platform, especially when the factor is greater than 1.2. Following the simulations with deep diving condition, shallow diving analyses performed both at model scale and full scale reveal the effects of submergence depth on hydrodynamic forces and pitching moment. The velocity field, pressure field and wave profile around the platform are also presented in detail in this section. Analyses revealed that the wavelength follows theoretical predictions based on linear wave theory, while wave heights show complex dependencies on both depth and speed, especially at lower diving depths. Free surface deformation and waveforms are closely related to submergence depth. Shallower depths resulted in larger surface waves and stronger resistance and lift forces. No direct relationship between pitching moment and diving depth was found in the full-scale analysis. The pitching moment curve for V = 5 knots and V = 8 knots follows a similar profile with small changes with depth. On the other hand, both hydrodynamic lift and drag force were found to show large variations with diving depth. Both components of the force acting on the hull show significant increases with decreasing submergence depth. It is also observed that the normalized forces increase with increasing Froude number, while the normalized pitching moment decreases slightly. The third group of analyses aims to investigate the surface performance at model scale and full scale. The model-scale analyses also aim to test the validity and reliability of the numerical methodology. Compared to the experimental results, the numerical analyses show a relative error of less than 4% for the determined resistance values. The resistance, trim and rise-up values of the platform between 10 knots and 40 knots are presented in graphs and charts. At the design speed of 30 knots, the total resistance was calculated as 15.1 kN and the effective power requirement as 233 kW. In Chapter 8, which is the last chapter of the thesis, both the effect of model scale on the resistance results is investigated and a new methodology for scaling the resistance is presented. In this context, a total of 16 CFD simulations were carried out at 8 different Reynolds numbers and 2 different Froude numbers and the variation of the dimensionless resistance coefficient components depending on the Reynolds number was presented graphically. The calculated frictional resistance values were compared with the ITTC 1957 friction line and the results were found to be in good agreement with the empirical equation. The share of the resistance components in the total resistance varied significantly between model and full scale. At the lowest model scale, frictional resistance accounted for 55% of the total resistance in the pre-planing regime and 69% in the planing regime. At full scale, frictional resistance decreased to 34% in the pre-planing regime and 55% in the planing regime. The proposed new scaling methodology was compared with the conventional methodology and it was found that the new methodology has several advantages over the conventional methodology. According to the results, the relative difference between the full-scale CFD analysis and the conventional extrapolation approach is 2.73%. In contrast, the new method achieved better results with a relative difference of about 1%. Another advantage of the new method is that it allows numerical uncertainty calculations. The numerical uncertainty of the method was calculated to be approximately 1.2%. This study presents a comprehensive methodology for the design of semi-submersible naval vessels, evaluating the hydrodynamic performance of the vessel through both experimental and numerical analysis. The conceptual design is optimized to meet the objectives of high speed and maneuverability on the surface and low acoustic signature underwater. Experimental studies validated the performance of the design, while CFD analyses revealed significant findings for the resistance, trim and rise-up values as well as the scaling methodology. A new scaling approach with a lower error compared to conventional methods is developed and the process of transition from model scale to full scale is detailed. The results show that the proposed design meets the specified operational requirements and provides a reliable basis for similar studies in the future.
Benzer Tezler
- Dalgıç pompaların tasarımı, üretimi ve performans analizi
Design, production and performance analysis of submersible pumps
FATİH POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiNiğde ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YÜKSEL KAPLAN
- Atomlar arası yarı-ampirik çok cisimli etkileşme potansiyellerinin ergimiş tuz sistemlerine uygulanabilirliği
Transferability of semi-empirical many body potentials ro molten salt systems
ÖZGÜN ÖZGEÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Fizik ve Fizik MühendisliğiTrakya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF.DR. SERAP DALGIÇ
- Katkılanmış yarı iletken nanoyapıların geometrik ve elektronik özellikleri
Geometric and electronic properties of doped semiconductor nanostructures
HARUN ÖZKİŞİ
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiTrakya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYFETTİN DALGIÇ
- Katkılı yarı iletken nanotellerin yapısal ve elektronik özelliklerinin teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of structural and electronic properties of doped semiconductor nanowires
SENA GÜLER ÖZKAPI
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiTrakya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYFETTİN DALGIÇ
- Sentetik kannabinoid kullanıcılarında aşermenin fenomenolojik analizi
Phenomenological analysis of craving within synthetic cannabinoid users
YAĞMUR SUADİYE DALĞIÇ