Hydrodynamic performance prediction of a planing hull using an equivalent screw propeller methodology
Eşdeğer pervane yöntemi kullanılarak kayıcı bir teknenin hidrodinamik performans tahmini
- Tez No: 992929
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sevk sistemleri, gemilerin operasyonel ihtiyaçlarına, hız gereksinimlerine ve performans beklentilerine bağlı olarak önemli farklılıklar göstermektedir. Sabit hatveli pervane sevk sistemleri, kontrol edilebilir hatveli pervaneler, su jeti tahrik sistemleri ve ters dönüşlü pervane konfigürasyonları, günümüzde farklı gemi tiplerinde yaygın olarak kullanılan başlıca sevk çözümleri arasında yer almaktadır. Özellikle yüksek hızlı deniz araçlarında; hızlanma kabiliyeti, manevra performansı, titreşim seviyeleri ve güç aktarım verimliliği gibi kriterler doğrultusunda, su jetleri ve ters dönüşlü pervaneler gibi ileri teknoloji sevk sistemleri tercih edilmektedir. Bununla birlikte, bu tür sistemlerin geometrik karmaşıklığı ve akış alanı üzerindeki çok boyutlu etkileri, hidrodinamik performanslarının hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle değerlendirilmesini oldukça güçleştirmektedir. Geleneksel sabit hatveli pervane sistemleri ise denizcilik endüstrisinde uzun yıllardır güvenilirlikleri, yapısal sadelikleri ve literatürde yer alan kapsamlı deneysel veriler sayesinde önemli bir referans noktası oluşturmaktadır. Sabit hatveli pervanelerin açık su performansları, itme ve tork katsayıları ile açık su verimi karakteristikleri literatürde ayrıntılı biçimde belgelenmiştir. Buna karşın, ters dönüşlü pervaneler veya su jeti gibi karmaşık sevk sistemlerine ait açık literatür verileri oldukça sınırlıdır. Gemi inşaatı süreçlerinde, pervane geometrisine ait bilgilerin gizli olması, tasarım dokümanlarına erişilememesi ya da sistemin bütüncül olarak modellenmesinin yüksek hesaplama maliyeti gerektirmesi gibi nedenlerle, sevk performansının güvenilir şekilde tahmin edilmesi çoğu zaman mümkün olmamaktadır. Teorik olarak değerlendirildiğinde, herhangi bir sevk sisteminin ileri yöndeki ortalama itki etkisinin, hidrodinamik olarak eşdeğer bir sabit hatveli pervane ile temsil edilebileceği varsayımı yapılabilir. Bu yüksek lisans tezinde, karmaşık sevk sistemlerinin ileri hareket performansını temsil edebilecek eşdeğer bir sabit hatveli pervane metodolojisi geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Önerilen yaklaşımın temel amacı, gerçek pervane geometrisi bilinmeyen ya da modellenmesi pratik olmayan sevk sistemleri için, ileri hareket performansını temsil edebilecek güvenilir ve uygulanabilir bir çözüm sunmaktır. Bu kapsamda, farklı kanat sayıları, hatve oranları ve kanat alanı oranlarını içeren geniş bir açık su performans veri tabanı sunan Wageningen B-Serisi pervane veritabanı kullanılmıştır. Söz konusu veritabanı, literatürde doğrulanmış deneysel sonuçlara dayandığından, eşdeğer pervane seçiminde sağlam bir hidrodinamik temel sağlamaktadır. Çalışma kapsamında geliştirilen metodoloji, seçilen pervane karakteristiklerinin, gemi üzerinde oluşturması beklenen itki değerlerini doğru biçimde temsil etmesini esas almaktadır. Önerilen metodoloji, yüksek hızda çalışan ve ters yönde dönen ikiz pervanelerle donatılmış bir kayıcı tekne üzerinde test edilmiştir. Öncelikle, teknenin sakin su koşullarındaki hidrodinamik davranışı incelenmiş; bu amaçla hem ampirik bir yöntem olan Savitsky yöntemi hem de Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanılmıştır. Savitsky yöntemi ile elde edilen direnç, trim ve batma değerleri, sayısal sonuçlar için bir referans noktası oluşturmuştur. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen sayısal analizlerin güvenilirliğini artırmak amacıyla, ağ yapısı ve sayısal yakınsama kriterleri incelenmiştir. Özellikle yüksek Froude sayılarında çalışan kayıcı teknelerde, serbest yüzey deformasyonlarının ve basınç dağılımlarının doğru şekilde yakalanabilmesi için yerel ağ sıkılaştırmaları uygulanmış; tekne etrafı, serbest su yüzeyi bölgesi ve pervane disk bölgesi özel olarak iyileştirilmiştir. Sayısal çözümün doğruluğunu ve ağdan bağımsızlığını değerlendirmek amacıyla, GCI (Grid Convergence Index) yöntemi kullanılarak ağdan bağımsızlık analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda, seçilen ağ yapısının hidrodinamik kuvvetler, trim ve batma gibi temel çıktılar açısından yeterli doğruluk seviyesini sağladığı gösterilmiştir. Böylece, elde edilen HAD sonuçlarının hem fiziksel tutarlılığı hem de mühendislik uygulamaları açısından güvenilirliği desteklenmiştir. Bu tez kapsamında elde edilen sayısal sonuçlar, yalnızca hız ve güç tahminleri açısından değil; aynı zamanda teknenin hidrodinamik davranışının fiziksel tutarlılığı açısından da kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. Direnç analizleri sonucunda, basınç ve sürtünme bileşenlerinin hızla birlikte değişimi incelenmiş; kayıcı evreye geçiş sürecinde kaldırma kuvvetinin hidrodinamik bileşeninin baskın hâle geldiği gözlemlenmiştir. Serbest yüzey deformasyonları ve basınç dağılımları, farklı Froude sayıları için karşılaştırmalı olarak analiz edilerek, tekne etrafında oluşan akış karakteristikleri detaylı biçimde ortaya konmuştur. HAD modelleme sürecinde, yüksek hızlı kayıcı teknelere özgü hidrodinamik problemlerin doğru şekilde temsil edilebilmesi amacıyla, çok fazlı akış yaklaşımı ve akışkan–katı etkileşimi birlikte ele alınmıştır. Teknenin dalıp-çıkma ve baş-kıç vurma hareketleri serbest bırakılarak, dinamik trim ve batma değerleri her hız durumu için sayısal olarak elde edilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde, teknenin deplasman evresinden kayıcı evreye geçişi yalnızca direnç değerleri üzerinden değil, aynı zamanda gövde hareketleri ve kaldırma kuvveti bileşenleri üzerinden de analiz edilebilmiştir. Böylece, sayısal modelin fiziksel gerçekliği temsil etme kabiliyeti güçlendirilmiştir. Eşdeğer pervane metodolojisinin uygulanması sürecinde, teknenin sakin su koşullarındaki direnç karakteristikleri temel alınarak, pervane diskine gelen akım koşulları belirlenmiştir. Bu bağlamda, iz katsayısı, itme azalması katsayısı ve tahmin edilen boyutsuz itme katsayısı değerleri dikkate alınarak Wageningen B-Serisi içerisinden uygun eşdeğer pervane seçimi yapılmıştır. Sevk simülasyonlarında, gerçek pervane geometrisinin modellenmesine gerek duyulmadan, sanal disk yöntemi kullanılarak pervane etkisi akış alanına hacimsel kuvvetler aracılığıyla aktarılmıştır. Bu yaklaşım, pervane–gövde etkileşimini fiziksel olarak tutarlı bir biçimde temsil ederken, hesaplama maliyetinin makul seviyelerde tutulmasını sağlamıştır. Elde edilen sevk simülasyonu sonuçları, tam ölçekli deniz denemelerinden elde edilen hız, pervane devri ve güç verileri ile karşılaştırılmıştır. Eşdeğer sabit hatveli pervane kullanılarak gerçekleştirilen sayısal sevk analizlerinin, orijinal ters dönüşlü pervane sistemi ile donatılmış teknenin deniz denemesi sonuçlarıyla oldukça iyi bir uyum gösterdiği belirlenmiştir. Özellikle hız–devir ilişkisi açısından elde edilen uyum, önerilen metodolojinin ileri hareket performansını başarılı bir şekilde temsil edebildiğini ortaya koymuştur. Eşdeğer sabit hatveli pervanenin belirlenmesi sürecinde, servis hızındaki toplam direnç değeri esas alınarak, kayıcı teknenin öz-itme noktasındaki ilerleme katsayısı ve itme katsayısı değeri tahmin edilmiştir. Wageningen B-Serisi pervaneleri içerisinden seçilen eşdeğer pervane, tahmin edilen ilerleme katsayında azami açık su verimini ve tahmin edilen itme katsayısı değerini verecek şekilde belirlenmiştir. Gerçekleştirilen HAD tabanlı öz-itme simülasyonları sonucunda, servis hızında elde edilen ilerleme katsayısı ve boyutsuz itme katsayısının, eşdeğer pervane belirleme aşamasında öngörülen değerlerle uyum gösterdiği tespit edilmiştir. Bu uyum, seçilen eşdeğer pervanenin ileri yöndeki itki karakteristiklerini doğru biçimde temsil ettiğini ve geliştirilen metodolojinin kendi içinde tutarlı bir çerçeve sunduğunu göstermektedir. Bu tez kapsamında geliştirilen eşdeğer pervane yaklaşımı, yalnızca incelenen vaka çalışması ile sınırlı değildir. Önerilen metodoloji; gerçek pervane geometrisinin bilinmediği veya modellenmesinin zor olduğu durumlarda, farklı tipte karmaşık sevk sistemlerine sahip yüksek hızlı deniz araçlarının hidrodinamik performans tahminlerinde de kullanılabilecek genel bir çerçeve sunmaktadır. Bu yönüyle yöntem; ön tasarım aşamaları, modernizasyon çalışmaları, performans değerlendirme analizleri ve otonom deniz araçlarına yönelik hız–devir tahminleri gibi mühendislik uygulamaları için pratik, güvenilir ve hesaplama açısından etkin bir araç niteliği taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Propulsion systems vary significantly depending on the operational requirements, speed demands, and performance expectations of marine vehicles. Fixed-pitch propellers, controllable-pitch propellers, waterjet propulsion systems, and contra-rotating propeller configurations are among the most commonly used solutions in modern ship design. In particular, high speed marine vehicles frequently employ advanced propulsion systems such as waterjets and contra-rotating propellers to achieve improved acceleration performance, enhanced maneuverability, and higher power transmission efficiency. However, the geometric complexity of these systems and their complex interaction with the surrounding flow field make the evaluation of their hydrodynamic performance challenging using both experimental and numerical methods. Conventional fixed-pitch propeller systems, on the other hand, have long served as a reliable reference due to their structural simplicity and the availability of extensive experimental data in the literature. The open-water performance characteristics of fixed-pitch propellers, including thrust, torque, and open-water efficiency coefficients, are well documented. In contrast, publicly available data for complex propulsion systems such as contra-rotating propellers or waterjets remain limited. In practical ship applications, restricted access to propeller geometry, confidentiality of design data, or the high computational cost of fully resolved numerical simulations often prevent reliable prediction of propulsion performance. From a theoretical perspective, the average forward thrust produced by any propulsion system can be represented by a hydrodynamically equivalent fixed-pitch propeller. Based on this assumption, this thesis proposes an equivalent screw propeller methodology capable of representing the forward propulsion performance of complex propulsion systems. The main objective of the proposed methodology is to provide a practical and reliable solution for cases in which the actual propeller geometry is unknown or difficult to model, while preserving the essential hydrodynamic characteristics of the propulsion system. Within this framework, the Wageningen B-Series propeller database is utilized due to its comprehensive and experimentally validated open-water performance data covering a wide range of blade numbers, pitch ratios, and expanded area ratios. The proposed methodology ensures that the selected equivalent propeller reproduces the expected thrust and torque characteristics acting on the vessel under operating conditions. The methodology is demonstrated through a case study involving a high-speed planing vessel equipped with contra-rotating twin propellers. Initially, the calm water hydrodynamic behavior of the vessel is analyzed using both the empirical Savitsky method and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The resistance and trim values obtained from the Savitsky method are used as reference data for the numerical simulations. In the CFD analyses, a multiphase flow approach is adopted to capture free surface effects, while fluid–structure interaction is incorporated to resolve the dynamic trim and sinkage of the vessel. The hull is allowed to move freely in heave and pitch, enabling the numerical model to capture the transition from displacement to planing regimes in a physically consistent manner. To ensure numerical reliability, mesh resolution and convergence behavior are systematically evaluated, and grid sensitivity is assessed using the Grid Convergence Index (GCI) methodology. Following the resistance analyses, the equivalent propeller is determined by considering the vessel resistance characteristics and the inflow conditions at the propeller disk. In the self-propulsion simulations, an effective approach for modelling propeller rotational effects, namely the virtual disk (VD) method, is adopted. Through this model, propeller-induced thrust and torque effects are introduced into the flow field without explicitly resolving the physical propeller geometry. This approach allows the propeller–hull interaction to be modeled in a physically consistent and computationally efficient manner. The results of the self-propulsion simulations are compared with full-scale sea trial data in terms of vessel speed and propeller rotational speed. The numerical predictions obtained using the equivalent fixed-pitch propeller show good agreement with the sea trial measurements of the vessel equipped with the original contra-rotating propulsion system. These results demonstrate that the proposed methodology can successfully represent the forward propulsion performance of complex propulsion systems. Overall, the equivalent screw propeller methodology presented in this thesis provides a practical and robust tool for the hydrodynamic performance prediction of high-speed marine vessel, particularly in situations where detailed propeller geometry is unavailable.
Benzer Tezler
- Kayıcı teknelerde denizciliğin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the seakeeping of the planing hulls
EMRE KAHRAMANOĞLU
Doktora
Türkçe
2021
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
- Yarı dalgıç bir askeri platform tasarımı ve bu platformun hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi
Design and hydrodynamic analysis of a semi-submersible naval platform
UTKU CEM KARABULUT
Doktora
Türkçe
2025
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BARLAS
- 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
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Yüksek hızlı teknelerin formları açısından analizinde yeni bir yaklaşım
A New Approach in analysis of high-speed boats in terms of forms
OĞUZHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Gemi MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiDeniz Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADRİ TURGUT GÜRSEL
- Değişik direnç metodları yardımıyla kayıcı teknelerde öndizayn parametrelerinin dirence etkisinin incelenmesi
Study of the effects of preliminary design parameters for resistance of planing hulls by using various resistance methods
O. SELİM YÜRÜTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET DURSUN ALKAN