GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ TEKNİK KONGRESİ AYNA KIÇIN YÜKSEK SÜRATLİ TEKNE DİRENCİNE ETKİSİ

Transkript

1 GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ TEKNİK KONGRESİ AYNA KIÇIN YÜKSEK SÜRATLİ TEKNE DİRENCİNE ETKİSİ Eyüp Mete ŞİRELİ 1, Kaya TÜMER 2, Ömer GÖREN 3, Mustafa İNSEL 4 ÖZET Bu çalışma beş formdan oluşan yuvarlak karinalı bir tekne serisi kullanarak yüksek süratli teknelerde ayna kıçın dalga direncine etkisini incelemeyi amaçlamış olup, deneysel ve sayısal hesaplamalar ile mevcut metotların yeterliliği araştırılmaktadır. Seride ayna kıç alanının tekne maksimum kesit alanına oranı dan 1 e kadar değiştirilmiştir. Tüm modeller için toplam direnç testleri ve dalga form direnç analizleri yapılarak, ayna kıçın dalga spektrumundaki etkisi araştırılmıştır. Teorik dalga direnci hesapları Dawson metoduna dayalı bir panel metodu ile yapılarak, artık direnç, dalga form direnci, ve teorik dalga direnci karşılaştırmaları yapılmış, Froude sayısı ve ayna kıç alanı oranı bazında sonuçlar çıkarılmıştır 1. GİRİŞ Son yıllardaki yüksek süratli tekne sayısındaki artışlar ve mevcut ana makinelerin teknolojik limitlerine erişilmiş olması yüksek süratli tekne hidrodinamiği üzerine yeni araştırmaların yapılmasını gerekli kılmıştır. Tekne formalarının hız kapasitelerini arttırma amacı ile narinleştirilmesi uzun ince tekne formlarını yaratmıştır. Bu formlardaki diğer bir gelişme ise su jeti uygulamasının geçerlilik kazanması ile kıç bölgedeki pervane için bırakılan boşluğa duyulan gereğin kaldırılması neticesinde ayna kıç alanlarında kazanılan serbestliktir. 1 Y.Müh. 2 Y.Müh. 3 Prof.Dr. 4 Doç. Dr. İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Gemi İnşaatı Bölümü, Ayazağa 8626, İstanbul, Türkiye.

2 Bu çalışma yüksek süratli teknelerin ayna kıç alanlarının tekne performansına etkisinin incelenmesini amaçlıyan İTÜ Gemi inşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesinde [1,2] yürütülen araştırmanın ilk bölümünün sonuçlarını sunmayı amaçlamaktadır. Çalışma değişik ayna kıç alanlarına sahip beş formdan oluşan bir serinin oluşturulması ile başlatılmış, bu beş form için direnç ve dalga form direnci deneyleri yapılmıştır. Aynı beş form için nümerik dalga direnci hesabı yapılmış, deneysel ve nümerik sonuçlar karşılaştırılmıştır. 2. FORMLARIN TANIMI Çalışmada beş adet değişik ayna kıç alanı/max en kesit alanına sahip tekne kullanılmıştır. Ana tekne olarak Bailey [3] tarafından verilen NPL yuvarlak karinalı tekne serilerinden L WL /B X =7 olan tekne seçilmiştir. Bu form Form 3 olarak adlandırılmıştır. Form 3 ün Ayna kıç alanı/max en kesit alanı oranı (A TR /A X ).572 dir. Bu form baz alınarak aynı L/B, B/T oranlarına sahip A TR /A X oranları.,.286,.786 ve 1. olan dört adet yeni tekne dizayn edilmiştir. Bu formlar baş formu olarak ana formla aynı olup sadece kıç formlarında farklılık göstermektedirler. Beş formun temel özellikleri Tablo 1 de verilmiş, en kesitleri Şekil 1 de gösterilmiştir. Form 1 max kesiti tüm gemi boyunca devam eden en dolgun tekne, Form 5 ise hiç ayna kıça sahip olmayan en narin tekneyi temsil etmektedir. Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 A T / A max L BP (metre) D (metre) B (metre) B T (metre) T (metre) (kg) C B Tablo 1 : Modellerin özellikleri 3. DENEYLER Yukarıda tanımlanan beş form İTÜ Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuarında büyük deney havuzunda denenmiştir. Deneyler sırasında toplam direnç ve dalga direnci olmak üzere iki ayrı deney seti kullanılmıştır. Deneyler trim ve batmaya serbest ve sabitlenmiş olmak üzere iki ayrı model koşulunda gerçekleştirilmiştir.

3 a) Gözlemler : Deneyler sırasında modellerin ayna kıç civarındaki akım gözlenmiştir. Düşük hızlarda ayna kıç arkasındaki akım girdaplı düzensiz bir hal almakta ayna kıç tamamen su ile temas halinde bulunmaktadır (Şekil 2a). Bu duruma ıslak aynakıç adı verilmektedir. Hız arttıtıldığında ayna kıç etrafındaki akım düzgün su hatlarını izleyerek ayna kıçın etrafından çıkmakta ayna kıç tamamen hava ile temasta bulunmaktadır (Şekil 2b). Bu akıma ise kuru ayna kıç tabiri kullanılmaktadır. Islak ve kuru ayna kıç rejimleri arasında geçiş bölgesi yer almakta ve ayna kıç yarı ıslak olarak bulunmaktadır. Islak halde geçiş bölgesine ve geçiş bölgesinden kuru ayna kıça geçiş hızları Şekil 3 te gösterilmiştir. b) Toplam direnç deneyleri : Modellerin toplam dirençleri elektronik dinamometre ve bilgisayar destekli data toplama sistemi kullanılarak Froude sayısının.2 ile 1. arasındaki değerleri için ölçülmüştür. Deneyler hem trim ve batmaya serbest hemde trim ve batmaya karşı sabitlemiş modeller ile yapılmıştır. Toplam direnç deneylerinin sonuçları Şekil 4 ve 5 te sunulmuştur. Trim ve batmaya serbest koşul için orijinal tekne formu (Form 3) en düşük toplam direnç özellikleri göstermekte olup, Dolgun tekne formları Form 1 ve Form 2 en yüksek toplam direnci vermektedirler. Trim ve batmaya sabit koşulda Form 4 en düşük direnç değerlerini göstermekte, bu formu Form 3 izlemektedir. Form 1 yine en yüksek direnç özelliklerine sahiptir. b) Dalga form direnci deneyleri : Nümerik hesaplar ile doğrudan karşılaştırma yapabilmek ve direnç bileşenlerini doğrudan ölçebilmek amacı ile modellerin oluşturduğu dalgalar deney havuzu kenarına yerleştirilmiş dört adet dalga algılayıcısı vasıtası ile bilgisayar destekli data toplama sistemi ile kaydedilmiştir. Elde edilen dalgaların : N ζ = 2πyn [ ξ cos( ω x) + η sin( ω x) ] cos n n n n n= W burada W: Havuz genişliği ω = K cos( θ n ), K ( θ ) n n n n 2πn W g 2 V sec sin = ve K 2 ( ) n θ n n: dalgayı oluşturan harmonik sayısı, K n : dalga sayısı, θn : dalga açısı denklemi ile ifade edildiğinde, dalga direnci momentumun korunumu analizinde [4] hesaplanmıştır: R WP N ( ξ + η ) + ( ξ + η )( ( θ )) ρgw = n n cos 2 n= 1 n

4 Bu durumda direnç bileşenleri viskoz direnç ve dalga form direnci olarak ifade edilmişlerdir. R = R + R = (1 + k) R + R T V WP F WP Dalga form direnci deneylerinin sonuçları Şekil 6 ve 7 de sunulmuştur. Eğrilerin karekterleri toplam dirence benzese de Formların sıralamasında farkılıklar görülmektedir. Form 1 in toplam dirençte en yüksek olmasına rağmen dalga direncinin en yüksek olmadığı, Form 5 in toplam direncinin küçük olmasına rağmen dalga direncinin yüksek olduğu görülmektedir. Bu durum dolgun formun (Form 1) yüksek girdaplarla iletilen yüksek viskoz dirence, narin formun (Form 5) ise düşük girdap yaratıcılığı dolayısı ile düşük viskoz dirence sahip olduğunu göstermektedir. Model dalgaları spektruma açılarak 8 ayrı hız için dalga direnci enerjisinin yayılan dalgalara göre dağılımı Şekil 8 de sunulmuştur. Modeller genelde en narinden en dolgun tekneye göre sıralanmakta, bu sıralanma sadece Froude sayısının aralığında değişmektedir. Froude sayısının olduğunda narin formlar hemen kuru ayna kıç rejimine geçmekte olup, dolgun tekneler hala ıslşak ayna kıç rejimindedir. Narin formlar bu hızlarda daha yüksek dalga form direnci göstermektedirler. Formlar kuru ayna kıç rejimine geçtiklerinde ise sıralama en narinden en dolguna sıralama izlemektedir. 4. DALGA DİRENCİ HESAPLARI Kullanılan formların dalga dirençlerinin hesabı TRAWSON [5] adlı İTÜ de geliştirilen potansiyel akım programı ile yapılmıştır. Potansiyel akım için geçerli sınır şartları altında bir çift gövde etrafındaki daimi düzgün akım potansiyeli aşağıdaki şekilde yazılabilir : φ( x, y, z) = Ux S σ ( ξ, η, ζ ) ds( ξ, η, ζ ) r( x, y, z, ξ, η, ζ ) Hız potansiyeli ( φ = Φ + ϕ, burada Φ: çift gövde potansiyeli ve ϕ: pertürbasyon potansiyeli) gemi yüzeyinde aşağıdaki kinematik sınır şartını ; φ = n ve serbest su yüzeyinde ; Φ 2 [ ( Φ) + Φ φ] + 1 φ ( Φ) 2 + φ =, ( z = ) 2 serbest su yüzeyi koşulunu sağlayacak şekilde belirlenmiştir. Hess ve Smith [6] metodu kullanılarak, sabit şiddetli kaynak-kuyu (σ) panelleri gemi yüzeyinde ve serbest su g z

5 yüzeyinde yerleştirilmiştir. Akım hatları boyunca serbest su yüzeyi koşulu Dawson [7] metodu kullanılarak ifade edilmiştir. 2 2 ( Φ φ ) + gφ = 2 Φ Φ ( z = ) l l l z l ll Burada akım hatları boyunca türevler Dawson [7] tarafından önerilen dört noktalı geriye doğru türev formülasyonu kullanılarak alınmıştır. Böylece kaynak-kuyu şiddetleri tekne yüzeyindeki kinematik yüzey koşulu ve Dawson serbest su yüzeyi koşulu kullanılarak belirlenmiştir. Ayna kıçın varlığı, panel yönteminde çözümün varlığı için gerek koşul olan cismin yüzeyinde tanımlanmış normal vektörün sürekliliği koşulunu ihlal ettiğinden ayna akıç üzerine herhangi bir panel dağılımı yapılmayarak iç akımın aynayı geçip çift-gövde yüzeyi ile aynadan sonra sonsuza doğru daralarak giden ayırıcı akım yüzeyinin oluşturduğu hipotetik bir tüp içinde devam ettiği kabul edilmektedir. Bu sebeple ayna kıçın gerisinde kalan su yüzeyinde ayrı bir panelleme bölgesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu panelleme bölgesinde ilk sıra paneller geminin içine yerleştirilmelidir. Bu paneller üzerinde sınır koşulu olarak toplam hızın gemi hızına eşit olduğu kabulü [8] yapılarak çözüm bulunmaktadır. Kuru ayna kıç durumunda ise akımın ayna kıçı teknenin bu noktadaki tanjantı ile terk ettiği düşünülmektedir. Cheng [9] tarafından verilen sınır şartları kullanılarak çözüm bulunmaktadır. Potansiyel akımda kullanılan panel dağılımının bir örneği Şekil 9 da sunulmuştur. Hesaplanan dalga direnç değerleri Şekil 1 da verilmiştir. Direnç eğrilerindeki kesiklik dalga direncinin ıslak ve kuru rejimlerde ayrı şekillerde hesaplanmasından doğmaktadır. Deneysel verilerle karşılaştırıldığında hem ıslak ayna kıç rejiminde hemde kuru ayna kıç rejiminde benzer sıralamalar elde edilmiştir. Hesaplamalarda ayna kıç arkasındaki dalga oluşumu(horoz kuyruğu) Şekil 11 de tekne etrafındaki dalga profili Şekil 12 de, Tekneler etrafındaki dalgalar Şekil 13 te verilmiştir. Şekil 13 te ayna kıç arkasındaki ikinci dalga tepesi Model 1 ila 5 arasında büyük farklılıklar göstermekte Form 3 te en düşük dalga yüksekliğini göstermektedir. Bu model deneyler sırasında en düşük dalga oluşumunu ve dalga direncini göstermiştir. 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayna kıç formunun direnç üzerine etkisinin araştırıldığı çalışmada, bu form özelliğinin direnç üzerinde çok önemli etki yaptığı görülmüştür. Ayna kıç etkileri hem dalga direncinde hemde viskoz dirençte görülmektedir. Bu çalışmada sadece dalga direnci hesapları ve deneyleri verilmiş olup, viskoz direnç deneyleri ve hesapları devam etmektedir. Islak ve kuru ayna kıç rejimlerine geçişin ayna kıç alanı ile ilgili olduğu gösterilmiştir. Kuru ayna kıçta dalga direnci artışı deneylerle gösterilmiş olup, teorik çalışmalar bu sonucu doğrulamaktadır.

6 Büyük ayna kıç alanına sahip teknelerin küçük ayna kıç alanındaki teknelere göre daha fazla girdap yaratmaları dalga dirençleri fazla olmamasına rağmen toplam dirençlerinin yüksek olması sonucu getirmektedir. Bu konu viskoz iz ve basınç ölçümleri ile incelenmesi çalışmanın devamında yerine getirilecektir. KAYNAKLAR [1] Tümer, K., Yüksek Süratli Teknelerde Ayna Kıçın Tekne Performansına Etkileri, Y.Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, (1997) [2] Şireli, E.M., Ayna Kıçın Yuvarlak Karinalı Yüksek Süratli Teknelerin Performansına Etkisi, Y.Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü (1999) [3] Bailey, D., The NPL High Speed Round Bilge Displacement Hull Series, Marine Technology Monograph, Nr.4, The Royal Institution of Naval Architects (1976). [4] Insel, M., An Investigation into the Resistance Components of High Speed Displacement Catamarans, PhD Thesis, University of Southampton, (199). [5] Gören Ö., A Numerical Study of Wave Resistance of Wet Transom Stern Ships, Unpublished Report, University of British Columbia, (199) [6] Hess, J.L. and Smith, A.M.O., Calculation of Non-lifting Potential Flow About Arbitrary Three-dimensional Bodies, J. of Ship Research, Vol. 8, No. 2, pp , (1964). [7] Dawson, C.W., A Practical Computer Method for Solving Ship Wave Problems, Proc. Sec. Int. Conf. on Num. Ship Hydrodynamics, Univ.California, Berkeley, (1977). [8] Maisonneuve,J.J., Resolution du Probleme de la Resistance de Vagues des Navire par Une Metode de Singularites de Rankine,Doctoral Thesis, University of Nantes, (1989). [9] Cheng, B.H., Computations of 3D Transom Stern Flows, Proc. Fifth Int. Conf. on Num. Ship Hydrodynamics, Hiroshima, pp , (1989).

7 Model 2 Model 1 Model 3 Model 4 Model 5 Şekil 1: Kullanılan formların en kesitleri Şekil 2a: Islak ayna kıç Şekil 2b: Kuru ayna kıç

8 .6 Kuru Ayna Kıç Rejimi.5.4 Yarı-Islak Ayna Kıç Rejimi Fn.3.2 Islak Ayna Kıç Rejimi At/Ax Islak ayna kiç siniri Kuru ayna kiç siniri Şekil 3: Kullanılan formlar için ıslak ve kuru ayna kıç rejimleri Şekil 4: Trim ve batmaya sabit formlar için toplam direnç Şekil 5: Trim ve batmaya serbest formlar için toplam direnç

9 Şekil 6: Trim ve batmaya sabit formlar için dalga form direnci Şekil 7: Trim ve batmaya serbest formlar için dalga form direnci

10 Fn=.35.6 Fn= Fn= Fn= Fn= Fn= Fn= Fn= Şekil 8: Dalga direncinin formlar arasında değişimi

11 Şekil 9 : Potansiyel akım hesapları için kullanılan paneller.6.5 Cw Fn Şekil 1: Modellerin hesaplanmış dalga direnci katsayıları

12 .2.1 z [m] x [m] Şekil 11: Ana kıç arkasında hesaplanmış dalga oluşumu.3.2 z [m] x [m] -.3 Şekil 12: Modellerin hesaplanmış dalga profili

13 Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Şekil 13: Modeller etrafındaki hesaplanmış dalga oluşumu

14