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