Upload
anl-krkkanat
View
356
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
BİTİRME TASARIM PROJESİ Askeri Gemilerde Kullanılan Bir Sonar Domu
Formunun Viskoz Analiz Yoluyla İyileştirilmesi
AY YIL İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
GEMİ İNŞAATI VE DENİZ BİLİMLERİ
FAKÜLTESİ
Aralık 2014
Hazırlayan: Necmi Anıl Kırıkkanat
Danışman: Prof. Dr. Ömer Gören
TEŞEKKÜR
Tüm çalışma sırasında beni yönlendiren, okul hayatım boyunca bana ve bütün
arkadaşlarıma örnek olan hocam Prof. Dr. Ömer Gören' e, çalışmam sırasında
yardımlarını benden esirgemeyen hocam Y.Doç.Dr. Devrim Bülent Danışman' a ve
dönem arkadaşım Gürbüz Bilici‟ye, öğrenim hayatım boyunca yanımda olan
arkadaşlarım Soner Çetin, Harun Elmas ve Hakan Boz‟a, benden desteklerini en zor
günde dahi esirgemeyen annem Serpil Leyla KIRIKKANAT ve babam Ökkeş Alp
KIRIKKANAT‟a teşekkür ederim.
Necmi Anıl KIRIKKANAT
ÖZET
Bu çalışmada örnek gemilerin sonar domu formları incelenerek referans bir sonar
domu oluşturulmuş, HAD ile direnç bileşenleri ve akım hatları incelenmiş, ardından
iyileştirme çalışmasına gidilmiştir. Referans formdan çıkarılan 3 su hattı üstündeki
akım hatlarının iyileştirilmesi için , form üstünde oynanmış.Yeni oluşturulan form,
aynı ilk formda yapıldığı gibi HAD ile direnç bileşenleri hesaplanmış ve akım hatları
çıkarılmıştır.İkinci yapılan form ile referans form değerleri karşılaştırılmıştır.
KISALTMALAR
HAD : Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
DM : Ansys Design Modeler
RANS : Reynold Ortalama Navier-Stokes çözümleri
Tu : Tübülans yoğunluk değeri
TLS : Türbülans uzunluk ölçeği
SEMBOL LİSTESİ
Ø = Çap [m]
L = Uzunluk [m]
B = Genişlik [m]
D = Derinlik [m]
y Boyutsuz duvar katsayısı
u Duvar bitişiğindeki sürtünme hızı [m/s]
Kinematik viskozite [m^2/s]
y = Duvardan olan uzaklık [m]
1. GİRİŞ
Sonar domu; su altındaki cisimleri belirlemek, izlemek ve dinlemek gibi genellikle
askeri amaçla kullanılan elektronik sistemimlerin konulduğu yerdir. Askeri
gemilerde kaideye monteli veya yumrubaş formuna yedirilmiş uygulamaları
bulunmaktadır. Çalışmada kaideye monteli sonar domu geometrisi ele alınmıştır.
Sonar sensörlerinin çalışabilmesi için gemi formuna ekstra takıntı gerekmektedir.
Sonar domunun oluşumu bu sayede olmuştur. Gemi formu üstünde fazladan takıntı
ekstra direnç demektir. Günümüz ortamında savaş gemilerinin daha yüksek sürat ve
daha ekonomik çalışması istendiğinden, tasarımda bu direnci minimuma indirmek
temel hedefimizdir. Bu noktada sonar domu geometrisi ve buna bağlı olarak akım
hatlarının düzgünlüğü önem kazanmaktadır. Akım üniformluğu bizim için önemli
olup, akım ayrılması ve vortekslerden kaçınmamız lazımdır. Sonar domu
tasarımlarında teorik çalışma, hesapların karmaşıklığından dolayı pek tercih
edilmemektedir. Gittikçe artan dizayn hedefleri ve engellemelerine karşı baş
edebilmesi zor olan kompleks mühendislik sistemleri; artık Reynold Ortalama
Navier-Stokes çözümleri(RANS), bilgisayar destekli dizayn ve verimli optimizasyon
algoritmaları gibi bütün pahalı analiz araçlarını birlikte sunan similasyon bazlı
yazılımlara evrilmiştir[1]. Mesleki tecrübeye ek olarak, model deneyleri ve
hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımları tasarımcılara yardım etmektedir.
Daha doğru sonuç vermelerine ragmen, farklı modeler üretmenin pahalılığı ve
zorluğu; model deneylerinin, HAD‟a kıyasla daha az tercih edilmesine sebep
olmaktadır. Bu çalışma kapsamında, daha once yapılmış sonar domlarından boyutlar
çıkarılmış, bu boyutlara göre temel sonar domu formu oluşturulmuş ve HAD ile
analizi yapılmıştır. Rhinoceros 5.0 programı ile sonar domu çizilmiş ve akış hacmi
oluşturulmuştur. ANSYS-Meshing ile ağ örgüsü oluşturulup , ANSYS-FLUENT‟te
analizler yapılmıştır. Ağ örgüsü oluşturulurken akışkan hacmi içerisinde sonar
domuna yakın yerlerde ve muhtemel sınır tabaka içinde kalacak yerlere özel
boyutlandırma yapılmıştır. Analizde çıkan akım hatlarına göre form narinleştirilerek
yeni bir form oluşturulmuştur. Yeni formda akım hatları düzgünleştirilmiş ve buda
direncimize yansımıştır.
Çalışmada sonar domu üzerine tekne formu ilave edilmemiştir.Böylece tekne formu
ile sonar domu arasındaki girişim etkileri göz ardı edilmiştir.
2. SONAR DOMU GEOMETRİSİ
2.1. Dizayn Kısıtları
Sonar domu geometrileri üzerinden geçen akımın uniform olması amacıyla
tasarlanmaktadır. Bu noktada sonar elektroniğinin boyutlarıda bizi sınırlandıran bir
husustur. Askeri gemilerde sonar elektroniği genelde silindir şeklinde olup, sonar
domu kabuğuyla aralarında belirli bir mesafe bulunmak zorundadır. Ayrıca sonar
domunun hidrostatik ve hidrodinamik basıçlara karşı gelebilmesi, ses dalgalarının
düzgün ilerleyebilmesi için; sonar domu kabuğuyla sonar elektroniği arasına su
konulur[2]. Sonar domu yapısı Şekil 2.1 „de gösterilmiştir.
Şekil Error! No text of specified style in document.1 Sonar domu yapısı
Bu elektroniklerin koyulabileceği temel formlara bakıldığında; ıslak alanı azaltmak
amacıyla küre formu koyulabilir. Ancak bu durumda akım düzgünlüğü sağlanamaz,
akım ayrılmaları ve vorteksler görülür. Akımın en düzgün sağlanabileceği
geometrilere baktığımızda, gemi dümenleri, uçak kanatları, yelkenli tekne salmaları
ve skeglerde de kullanılan NACA profilleri öne çıkmaktadır. Çalışmada ilk
geometrimiz belirlenirken bu hususlara dikkat edilmiştir.
Şekil 2.2 Kürenin Akım Hatları Şekil 2.3 NACA Profilinin Akım Hatları
2.2. Sonar Domu Formunun Boyutlarının Belirlenmesi
Sonar domu geometrrisi belirlenirken açık kaynak bulmakta zorlanılmıştır.
Çalışmada sonar domu suyu hacminden boyutlarla ilgili çıkarımlar yapılmaya
çalışılmıştır.Tablo 2.1‟de kullanılan sonarlar ve sonar suyu hacimleri gösterilmiştir.
Sonar Tipi Gemi Sınıfı Gemi No
[1999] Sonar Domu Suyu Hacmi
(metreküp, yaklaşık)
AN/SQS-53
CG 47, DDG 51, DD 963, DDG 993
80 91
AN/SQS-26 CGN 36, 38 3 91
AN/SQS-56 FFG 7 43 19
AN/BQQ-5
SSN 688 (through 750), SSN 637, SSN 671
47 132
AN/BQQ-6 SSBN 726 17 280
AN/BQR-7 SSN 640 2 132
AN/BSY-1 SSN 688 (from 751) 23 132
EM121A MSC T-AGS 60 4 1.135623535
SEABEAM MSC T-AGS 26 2 1.934345422
TC-12NB MSC T-AGS 60 4 0.094635295
TR-109 MSC T-AGS 60 4 0.283905884
Tablo 2.1 Farklı gemilerde kullanılan farklı tip sonarlar ve sonar suyu hacimleri
Buna ilaveten sonar elektroniği üreten bazı firmaların broşürleri incelenerek, sonar
elektroniği kısmının boyutları çıkarılmaya çalışılmıştır. Sonar elekroğinin son
boyutları şunlardır;
Ø = 0.9 metre
Derinlik = 1.32 metre
İzin verilen boşluk = 0.2 metre
Bu boyutlara göre Rhinoceros 5.0 programı kullanılarak sonar domu elektroniği
çizilmiştir. Şekil 2.4’te gösterilmiştir.
Şekil 2.4 Sonar Domu Elektroniği
Ardından örnek gemilerin sonar domu boyutlarından ve sonar domu elektroniği
sınırlamarından sonra son boyutlarımız şunlardır;
L = 3 m
B = 1.57 m
D = 1.59 m
Boyutlar belirlendikten sonra, Rhinoceros 5.0 programıyla öncelikle kesitler çizilmiş.
Ardında „Loft‟ komutu ile ilk geometrimiz analize hazır hale gelmiştir.Oluşturulan
sonar domu Şekil 2.5, Şekil 2.6, Şekil 2.7 ve Şekil 2.8‟de gösterilmiştir.
Şekil 2.5 Sonar Domu Kesitleri
Şekil 2.6 Sonar Domunun Üstten Görünüşü
Şekil 2.7 Sonar Domunun Profilden Görünüşü
Şekil 2.8 Sonar Domunun 3 Boyutlu Görünüşü
3. AKIŞ ANALİZİ
3.1. Akım Hacminin Oluşturulması
Sonar domu geometrisi oluşturulduktan sonra , analizde kolaylık sağlaması açısından
simetri ekseninden ikiye ayrılmıştır. Ardından FLUENT programında analiz etmek
için kontrol hacmi oluşturulmuştur. Kontrol hacmi Rhinoceros 5.0 programında
hazırlanmış daha sonra form.stp formatında kaydedilerek ANSYS DM programına
girilmiştir. Boyutlara ,
Sonar domundan başa doğru 1,5 L
Sonar domundan kıça doğru 3 L
Sonar domundan yana doğrun 2 L
Sonar domundan aşağıya doğru 2 L
Genişlikler verilerek kontrol hacmi hazırlanmıştır.
Şekil 3.1 Oluşturulan Akım Hacminin Görünüşü
3.2. Ağ Örgüsü(Mesh) Yapısının Oluşturulması
Öncelikle ANSYS DM programına atılan geometriye, analizde FLUENT
programının giriş ve çıkış alanlarını tanıyabilmesi için hacmin yüzeylerine isim
verilmesi gerekmektedir. İleride karşılaşılabilecek problemleri engellemek amacı ile
HAD yazılımın kullandığı „velocity inlet, pressure outlet, wall, sym‟ isimleri
kullanılarak hacim yüzeyleri adlandırılmıştır. Direnç analizi yapılması istenen sonar
domu yüzeyleri „wall body‟ olarak isimlendirilmiştir. Bu adlandırmalar sayesinde
HAD yazılımının analiz edilecek yüzeyleri kendiliğinden tanıması sağlanmıştır.
Daha sonra Ansys Design Modeler yazılımının çıktısı olan kontrol hacmi Ansys
Meshing yazılımına tanıtılmış ve gerekli hesap matrisi üretimine geçilmiştir. Dört
yüzlü elemanlar kullanılarak 4 milyon eleman sayılı hesap matrisi üretilmiştir.
Sonuçların doğruluğu açısından ilk hücre yüksekliğinin önemi büyüktür [3-4]. Bu
büyüklük boyutsuz katsayı olan y+ değeri ile temsil edilmektedir. y değerinin
hesaplanması aşağıdaki gibidir.
yu *y
y Boyutsuz duvar katsayısı
u Duvar bitişiğindeki sürtünme hızı [m/s]
Kinematik viskozite [m^2/s]
y = Duvardan olan uzaklık [m]
Referanslarda veya benzeri çalışmalarda y değerinin sonuçların doğruluğu ve
türbülans modellerinin daha iyi temsili açısından 1 veya daha küçük değerde olması
istenir. Ama çok küçük seçilen y değerleri pratikte başka aşağıda belirtilen
sorunlara sebep olmaktadır.
- Yan oranı büyümesi
- Eleman sayısı artışı
- Ağ kalitesinin değişmesi ( ağ örme programına göre değişir)
- Donamım kapasitesinin yetersiz kalması ( çekirdek sayısı, ram, işlemci hızı)
Bu sebeplerden dolayı tüm ağ örgülerinde y değeri yaklaşık olarak 50 alınmış ve
ortaya çıkan sonuçlarda bu çerçevede değerlendirilmiştir. İlk hücre yüksekliğini
azlatmak amacıyla sonar domu yüzeyinde ve civarında özel boyutlandırma
yapılmıştır.Ağ yapısı Şekil 3.2‟de gösterilmiştir.
Şekil 3.2 Ağ Yapısı Görünümü
3.3. Sınır koşullarının ve Türbülans modellerinin belirlenmesi
Bir akışkanlar dinamiği problem için doğru bilgisayar komutları oluşturmak,
modellem sürecinde çok önemli bir safhadır[5]. Çalışmada hız 30 knot(15.46 m/s)
seçilmiştir. Geometriden ve yüksek hızdan dolayı akım ayrılması ve girdap oluşması
beklenmektir. Analiz „steady‟, akış modeli 'Realizable-Enhanced wall treatment k-
epsilon‟ olarak, g yerçekimi ivmesi Z yönünde -9,81 olarak ve akışkan sıvı su olarak
seçilmiştir. K epsilon seçilmesinin nedeni gelişmiş duvar işlemini tubulanslı ortamda
iyi yapabilmesidir. Gelişmiş duvar işlemi, gelişmiş duvar fonksyonları ile iki
katmanlı modeli birleştiren bir bitişik duvar modellemesidir. K epsilon modelinde,
gelişmiş duvar işlemini değişik duvar fonksyonlarını birleştirerek uygular. Bu aynı
zamanda iki katmanlı yaklaşım denmesinin nedenidir. İyi ağ örgülü(mesh) alt
tabakalı laminar ve sınır tabakanın türbülanslı bölümleri için log-low fonksyonuna
geçişi değerlendirebilmek için bir denklem ilişkisi bulunmaktadır. y genişletilmiş
duvar işlemi ile faydalı hale getirilmesi, standart duvar fonksyonları üzerindeki bu
ölçülebilir avantajları sağlamaktadır. Bitişik duvar örgü ağlarının iyi olması
gerekliliğinden, çok büyük bilgisayar işlem kapasitesine ihtiyaç doğurabilir[6]. Sınır
koşullarının belirlenmesi işleminde; akışın girip çıkacağı ve akışı etkileyecek
yüzeyler belirlenmelidir. Daha önceden yüzeyler doğru adlandırıldığı için Fluent
yazılımı yüzeyleri kendiliğinden tanımıştır. Akışın gireceği yüzey 'velocity inlet',
çıkacağı yüzey ise 'pressure outlet' olarak belirlenmiştir. Daha sonra sınır şartlarından
, +X yönünden 15.46 m/s hız girilmiştir. Türbülans model optimizasyonu yapılırken,
bir çok tübülans yoğunluk değeri(Tu) ve türbülans uzunluk ölçeği (TLS) test
edilmiştir. En uyumlu değerler , giriş ve çıkışta Tu=%0.5 ve TLS=0.05 m
kullanıldığında görülmüştür. Ayrıca referans değerlerinden viskozite değerimiz
1.1881*10^-6 girilmiştir.Ardında çözüm methodları kısmında şema „SIMPLE‟
seçilip momentum, türbülans kinetik enerji ve türbülans yayılma oranı ikinci
mertebeden seçilmiştir. İzleme kısmına direnç sabitinin izlenmesi için cd grafiği
eklenmiştir. Analiz başlangıcında akışta süreklilik sağlanması için 'Initialization'
yapılması gerekmektedir. Bunun için 'inlet' seçilerek gerekli işlem yapılmıştır.Bütün
işlemler yapıldıktan sonra case dosyası olarak kaydedilip,program 10000 iterasyon
ile çalıştırılmıştır.Oluşturulan hesap modülü Şekil 3.3‟te gösterilmiştir.
Şekil 3.3
3.4. HAD Analizi Sonuçları
Analiz sonuçlarına göre basınç dağılımı Şekil 3.4‟teki gibidir.
Şekil 3.4 Basınç Dağılımı
Sonar domu üzrindeki basınç dağılımında kıçta ve ortada problemli olduğu
görülmüştür. Beklenildiği gibi sonar domunun akımı karşılayan noktasında basıncın
maksimum olduğu ortaya doğru basıncın düşüp kıçta tekrar yükseldiği
gözlenmiştir.Sonar domunun direnci Tablo 3.1‟de gösterilmiştir.
KUVVETLER
DOM ALANI BASINÇ VİSKOZ TOPLAM
NET 2788.1572N 1829.7203 N 4617.8776 N
Tablo 3.1 Referans Dom Kuvvet Değerleri
3.5. Akım Hatlarının Çıkarılması
Akım hatlarının çıkarılması dizaynın iyileştirilmesi bakımından çok önemlidir. Bu
noktada akımın düzgün dağılması temel önceliğimizdir. Çalışmada kullanılan form
yüzeyinde 3 farklı su hattı üzerinden akım hattı alınıp akım hatları
gözlemlenmiştir.Akım hatları şekildeki gibidir.
Şekil 3.5 Akım hatları
4.SONAR DOMU GEOMETRİSİ İYİLEŞTİRME ÇALIŞMASI
Form üzerindeki eğrilik değişimleri, basınç farklarına neden olarak akım hatları
bozulmaktadır. Akım hatlarının düzgünlüğün bozulması direncimizi olumsuz yönde
etkilemektedir. Çalışmada akım hatlarına bakıldığında kıçtaki akım hatlarının çok
geniş geldiği görülmüştür. Ayrıca formun ön kısmınında daha narinleştirilebileceği
görülmüştür.
4.1. Yeni Sonar Domu Formunun Oluşturulması
Yeni sonar domu geometrisi oluşturulurken referans olarak su hatları alınmıştır.Su
hatlarının narinleştirilmesi ve akımın form üzerinde daha düzgün dağılması
hedeflenmiştir. Bu amaçla eski sonar domu formu, Rhinoceros 5.0 programında
kontrol noktaları açılarak, önceki formdan alınan 3 su hattı referans alınıp , üstünde
narinleştirme çalışmaları yapılmıştır. Önceki formun „Polar Array‟ komutuyla
yapılması ve şeklin slender body olmamasından dolayı formu düzeltmede zorluklar
yaşanmış, deneme yanılma yöntemi kullanılmıştır. Yeni form Şekil 4.1, Şekil 4.2,
Şekil 4.3‟teki gibidir.
Şekil 4.1 Yeni Oluşturulan Sonar Domunun Üstten Görünümü
Şekil 4.2 Yeni Oluşturulan Sonar Domunun Profilden Görünümü
Şekil 4.3 Yeni Oluşturulan Sonar Domunun 3 Boyutlu Görünümü
Yeni formun boyutları şu şekilde olmuştur ;
L = 3 m
B=1.44 m
D=1.59 m
Yeni formun eski forma görece değişimini göstemesi için aynı noktadan alınan su
hatları şekil gösterilmiştir. Şekil 4.4‟te, kırmızı ile gösterilen su hatları eski formdan,
siyah ile gösterilenler yeni formdan alınan su hatlarını göstermektedir.
Şekil 4.4
4.2. Geliştirilen Yeni Formun Ağ Örgüsü(Mesh) Yapısının Oluşturulması
Yeni formda geçen formdan farklı olarak eleman sayısını düşürmek için kontrol
hacmi dikdörtgenler prizması yerine, silindirik alınmıştır. Eleman sayısı 3 milyona
düşürülmüştür .Oluşturulan ağ yapısı Şekil 4.5‟de gösterilmiştir.
Şekil 4.5
4.3. Sonuç
Geliştirilen yeni form, daha önceki formla aynı sınır şartlarında ve türbülans
modellerinde koşturulmuştur. Analizden elde edilen sonuçlar Şekil 4.6‟daki gibidir.
Şekil 4.6
Şekilde görüldüğü gibi basınç farkları düşürülmüş ve geçişler daha düzgün hale
getirilmiştir. Elde edilen direnç sonuçları Tablo 4.1 „deki gibidir.
KUVVETLER
DOM ALANI BASINÇ VİSKOZ TOPLAM
NET 2189.03 N 1755 N 3944.03 N
Tablo 4.1
Daha önceki formdan çıkarılan, referans su hatları üstündeki akım hatları Şekil 4.7‟
deki gibidir.
Şekil 4.7
Çalışmada sonar domu formları HAD ile analiz edilmiş, çıktıları gösterilmiştir. İlk
yapılan formdan çıkarılan referans su hatları üzerinden akım hatları gözlemlenmiştir.
Yapılan analizlerin doğruluğu bakımında y değerimiz önemlidir. İlk yaptığımız
sonar domu formunda ortalama y değerimiz 55, geliştirilem formda ise 53 olarak
okunmuştur.Şekil 5.1‟de , y değerleri karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir.
Şekil 5.1
Formun ana boyutlarından sadece genişliği ile oynanmış, 1.57 metreden 1.44
metreye çekilmiştir. Bu ıslak alanda %4 lük bir azalma yaratmıştır. Bu da çıkan
viskoz kuvvet sonuçlarına yansımıştır. Viskoz direnç 75 N azaltılmıştır.Form
geometrisi değiştirilerek basinç kuvvetinde % 21 azalma , toplamda ise %15 azalma
görülmüştür. Karşılaştırmalı kuvvet değerleri Tablo 5‟te gösterilmiştir.
KUVVETLER
DOM ALANI BASINÇ VİSKOZ TOPLAM
Form-1 2788.1572N 1829.7203 N 4617.8776 N
Form-2 2189.03 N 1755 N 3944.03 N
Tablo 5
Ayrıca su hatlarında yapılan iyileştirmeler hem direnç sonuçlarında hemde basınç
dağılımlarında görülmüştür. İki formun basınç dağılımlarına bakıldığında, ilk
formda orta kısımda düşük basınç bölgesi görülürken ikinci formda bu bölge
küçültülmüş, ayrıca ikinci formda kıç bölgesindeki yüksek basınç bölgesi
azaltılmıştır. Şekil 5.2‟de karşılaştırmalı basinç dağılımı görülmektedir.
Şekil 5.2
Basınç dağılımında olan değişiklikler akım hatlarınada olumlu olarak yansımıştır.
İkinci formda akım daha düzenli (uniform) hale getirilmiştir.Şekil 5.3‟de , daha önce
referans olarak alınan su hatlarından geçen akım hatları, karşılatırılmalı olarak
gösterilmiştir.
Şekil 5.3
KAYNAKÇA
[1] Shape optimization in ship hydrodynamics using computational fluid dynamics
Emilio F. Campana , Daniele Peri , Yusuke Tahara , Frederick Stern ; 28 October
2005
[2] Sonar Dome Discharge:Nature of Discharge Nature of Discharge for the “Phase I
Final Rule and Technical Development Document of Uniform National Discharge
Standards (UNDS),” published in April 1999.
[3] Langtry RB, Gola J, Menter FR. Predicting 2D airfoil and 3D wind turbine rotor
performance using a transition model for general CFD codes. 44th AIAA aerospace
sciences meeting and exhibit; 9-12 January, 2006. Reno, Nevada
[4] Sørensen N. CFD modelling of laminar-turbulent transition for airfoils and rotors
using the γ e Reθ model. Wind Energy 2009; 12:715-33
[5] Blazek J. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications. Second
Edition. Elsevier
[6] Numerical analysis of friction factor for a fully developed turbulent flow using
keε turbulence model with enhanced wall treatment Q5 Muhammad Ahsan*School
of Chemical & Materials Engineering, National University of Sciences &
Technology, Islamabad 44000,Pakistan