Yüksek süratli bir tekne formunda interseptörlü ve stepli hallerde hidrodinamik performansın parametrik incelenmesi
A parametric investigation of hydrodynamic performance for a high speed hull in cases with interceptor and step
Yazar: AHMET GÜLTEKİN AVCI
Danışman: PROF. DR. BARIŞ BARLAS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemiler = Ships ; Hidrodinamik = Hydrodynamics ; Step = Steppe ; Tekneler = Hulls ; Yüksek hız = High speed

Özet:
Bu tezde yüksek sürat yapan tekneler için hidrodinamik performansın iyileştirilmesi konusunda referans kabul edilebilecek çalışmaların yapılabilmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında yüksek süratli teknelerin genel özellikleri irdelenmiş, seçilen bir teknenin kıçına trim yapıcı olan levhalar farklı yerlerde ve farklı çalışma derinliklerinde eklenerek bir deney matrisi uygulanmıştır.
Ayrıca bu tez ile birlikte, bir çok parametre üzerinde çalışılıp, yüksek süratli teknelerde, stepli (basamaklı) durumun etkisi, interseptörlerin (akım kesicilerin) etkisi ve bu interseptörlerin konumlarının optimum yerleri ile ilgili de verimli sonuçlar elde edilerek, liteartüre bir yenilik kazandırılmıştır. Literatürde yapılan diğer çalışmalardan en önemli farklılıklarından birisi ise interseptörün parçalı halde tekne aynı kıçına monte edilmesinin de analiz edilmesi olmuştur.
Üçüncü bölümde tezin deney aşamalarının daha sağlıklı yapılabilmesi ve kurulan sistemin doğruluğunun araştırılması amacıyla çıplak tekne için hesaplamalı akışkanlar dinamiği metoduyla analizler yapılmıştır. Bu analizlerde çıplak teknenin direnç, trim ve paralel batma karakteristikleri elde edilip deneysel çalışmayla karşılaştırılmıştır. Analizler sırasında ilk olarak sayısal havalandırma problemi ile karşılaşılmış ve bu problemin çözümü için bir metodoloji geliştirilmiştir. Yüksek hızlı bir tekne formunun direnç değerlerinin hesaplanmasında sayısal yaklaşımın, bu havalandırma probleminin çözülmesi koşuluyla, oldukça iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. 
Dördüncü bölümde, yüksek hızlı tekne modelinin takıntısız, çıplak halinin deneyleri icra edilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde, 18.7 metre boyuna sahip yüksek süratli bir pilot botun, 1/8.5 ölçekte ahşaptan üretilen modelinin takıntısız halde ve sakin suda direnç, trim ve paralel batma deneylerine ait sonuçlar incelenmiştir. Deney esnasında direnç karakteristiklerinin yanında trim ve paralel batma değerleri bulunmuştur. Trim ve paralel batma için birden fazla yöntem incelenmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile bulunan sonuçlara en yakın olan lazermetre ile ölçüm yöntemi benimsenmiştir.
Beşinci bölümde ise yüksek hızlı teknede interseptörlü model deneyleri icra edilmiştir. Etkilerini karşılaştırabilmek için interseptörün kıç bölgedeki konumu ile uygulama bıçak derinliği düzenlenerek çok sayıda parametre dikkate alınmıştır. İnterseptör levhası tekne ayna kıçında deneyler boyunca üç farklı konumda yerleştirilmiştir. Bunlar çeneye yakın bölge, omurgaya yakın bölge ve çene ile omurga arası orta bölgelerdir. Deneylerde bu durumun haricinde ayrıca omurgadan çeneye kadar tam bölge uygulaması da yapılmıştır. Bu bölümde ayrıca, interseptör uygulama bölgeleri görsel olarak da verilmiştir.
Altıncı bölümde yüksek hızlı tekne stepli model deneyleri anlatılmıştır. Model, farklı hızlarda ve farklı step lokasyonları da göz önünde bulundurularak çekilmiştir. İnterseptör etkisi ve interseptörlü-stepli durumların etkisinin haricinde teknede enine step uygulamasında optimum step lokasyonunu bulmaya yönelik çalışmalar da icra edilmiştir. Çalışmalarda, boyuna olarak dört farklı step lokasyonu belirlenmiş ve stepin ayna kıçtan uzakığı olan "s" in LCB'ye oranı ile parametrik çalışma icra edilmiştir. Bu bölümde ayrıca, boyuna step yerlerinin model direncine etkisi incelenmiş ve optimum step lokasyonu sonuçlar kısmında yorumlanmıştır.
Yedinci bölümde, yüksek hızlı tekne interseptörlü ve stepli model deneyleri icra edilmiştir. Model, farklı hızlarda ve farklı step lokasyonu da göz önünde bulundurularak interseptör uygulamasıyla çekilmiştir. Daha sonra da optimum stepli halde interseptör uygulaması yapılıp yorumlanmıştır. Stepli model deneylerinde interseptörlü modele nazaran trimde azalma olsa da, aynı modelde 1 ve 2 mm bıçak derinlikli interseptörlü ve stepli yapılan deneyde, trim açısında aşırı azalma olmuş ve direnç değerlerinde artış gözlemlenmiştir. 1 mm bıçak derinliğinden daha küçük bir bıçak derinliği deney imkanları göz önünde bulundurulduğunda fiziksel olarak denenemediği için interseptörlü ve stepli durum için deneyler ilerletilememiştir. Bu sebeple, stepli modelde ayrıca interseptör uygulamasının verimli olmadığı yorumu düşünülmüştür.
Sekizinci bölümde tez çalışması boyunca elde edilen sonuçlar grafikler halinde verilip yorumlanmıştır. Bu bölümde önerilen çoklu regrasyon modelinin, model deneylerine kıyasla CTM'yi, kabul edilebilir ortalama bir hata ile oldukça iyi tahmin edebildiği belirtilmiştir. Bununla birlikte yapılan deneysel çalışmalara göre gözlemlenen durum ise, tam durum interseptör konumlandırmasında düşük hızlarda interseptörün kapalı olması gerektiği, orta hızlarda interseptörün etkisini gösterdiği ve derinliğe de bağımlı olduğu, bununla birlikte hız arttıkça yüksek bıçak derinliklerinin azaltılması gerektiği olmuştur. Göreceli olarak yüksek süratlerdeki seyirde olan yüksek bıçak derinlikleri tekne triminde aşırı azalma ile birlikte başın suya daha çok girmesini ve aşırı serpintiyi de ekleyerek yüksek direnç oluşumunu tetiklemektedir. Çalışmada aynı zamanda, gemi direncini en aza indirmek için en etkili linterseptör lokasyonunun orta ve çene lokasyonlarına kıyasla, aynı hız ve bıçak derinlikleri için omurga lokasyonu olduğu öngörülmüştür. Çalışma ile, interseptör uygulamalarında tam boyutlu durumun haricinde, en etkili bölgenin omurga ve daha sonra da sırayısla orta bölge ve çene bölgesi olduğu anlaşılmıştır. 
Beklendiği gibi, interseptör bıçak derinliğinin arttırılması, kıçta oluşturulan dinamik kaldırmayı arttırmakta ve bu da trimi azaltmaktadır. Buna ek olarak aşırı bıçak derinlikleri, negatif trim (başın suya girmesi) ile sonuçlanmaktadır. Omurga bölgesinde bulunan interseptör ve tam durum interseptörde, bıçak derinliklerinin fazla olması, teknenin interseptörsüz haline göre olan trim değerlerinde çok fazla azalmaya sebebiyet vermekte ve baş suya girmektedir. 0.62 Fr hızından itibaren tüm durumlarda model paralel çıkmaktadır. En yüksek paralel çıkma çıplak teknede olmakta, ondan sonra ise interseptörün etkinliğinin en az olduğu durum olan çene konumlu durumda olmaktadır.
Bu tez çalışmasında, teknede enine step uygulamasında optimum step lokasyonunu bulmaya yönelik çalışma da icra edilmiştir. Çalışmada boyuna olarak 4 farklı step lokasyonu belirlenmiş ve stepin ayna kıçtan uzakığı olan "s" in LCB'ye oranı ile parametrik çalışma icra edilmiştir. Yüksek süratli benzer bir teknenin Fr 0.74-1.1 hız aralığında olması gereken tekli stepin s/LCB değerinin 0.75-0.82 aralığında (ortalama 0.785) olmasının en uygun durum olduğu anlaşılmaktadır.
Dokuzuncu bölümde, ilgili tüm sonuçlar genel olarak özetlenmiş ve değerlendirilmiştir. En verimli interseptör sistemi dizaynı düşünüldüğünde, interseptörler uygulamalarının omurgadan çene bölgesine göre farklı performanslar sergilemesinden dolayı, eğer uygulanabilir durumda ise, sistem akıllı kontrol sistemleri ile donatılarak, dinamik olarak birbirinden bağımsız hareket edebilen en az 3 parçadan oluşmalıdır sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this PhD dissertation, it is aimed to carry out studies that can be accepted as a reference for the improvement of hydrodynamic performance for high speed hulls. Within the scope of the study, the general characteristics of high-speed hulls were examined, and the trim generating plates at the stern of the hull were added in different locations and application depths for a chosen high speed hull form. Also, an experimental matrix was formed with different situations in order to explore the improvements in trim and resistance characteristics. After determining the optimum cases, the hydrodynamic performance of the hull was investigated for bare condition, with interceptor and with stepped conditions.
While the trend of high-speed boat concept design engineers in recent years are to optimize the form on the boat, some of them are interested in improving performance by adding various appendages to the boat stern area. The purpose of this section is to enable the hull to switch to the planing regime earlier. The general name of this appendages mounted in the stern area of the boat can be called as trim regulators. One of the most important of these, is a kind of plate called "interceptor". This plate is placed vertically at the transom of the hull and it's dynamic blade may extend slightly downstream from the keel line. 
Generally, the interceptors are thin plates extending down from the hull with a wet length percentage of generally between 0.05 and 0.4 the hull waterline length. With this study, an innovation has been brought to the literature by working on many parameters and obtaining efficient results regarding the effect of stepping conditions, the effect of interceptors and the optimum locations of interceptors in high speed hulls. In addition, one of the most important differences of this thesis from other studies in the literature is that the interceptor is also mounted as separate parts in the same stern. 
In order to fully evaluate the effect of the interceptors, first of all, the study of determining the trim and sinkage characteristics of fast hulls was carried out. The first experiments carried out were to find the trim and sinkage values of a high speed hull model without appendages and without interceptor. For this purpose, experiments were carried out in the large experimental towing tank located in Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory, affiliated to the Faculty of Naval Architecture and Marine Engineering of ITU.
During this study, the literature was reviewed in the first place and the main subjects related to high speed boats were examined. Among the subjects studied, interceptor applications and step applications come to the fore. The main purposes of these studies are to examine the boat traveling at the same speed to consume less power or to make more speed at the same power consuming ratio.
In the third chapter, in order to make the experimental stages of the thesis healthier and to investigate the accuracy of the established resistance measurement system, analyzes were made for the bare boat with the computational fluid dynamics method. In these analyses, the resistance, trim and sinkage characteristics of the bare hull were obtained and compared with the experimental data. During the analyses, a numerical ventilation problem was first encountered and a methodology was developed to solve it. With the developed method, a very good convergence was achieved with the experimental results. Again, the results in this model scale were than extrapolated to the full scale with well known methods and compared with the classification organization report of the manufactured boat. In experiments with interceptors, since the application blade depths of the interceptor are in the order of millimeters, it has become a necessity to verify the experimental system via computational fluid dynamics methods. In addition to verifying the resistance characteristics with numerical analyzes, trim and sinkage characteristics were also examined. It has been understood that, the numerical approach in calculating the resistance values of a high speed hull forms gives quite good results, provided that the NVP condition is resolved.
In the fourth part, the experiments of the bare hull of the high-speed boat model were carried out. In this part of the study, the results of the resistance, trim and sinkage measurements of a 1/8.5 scale wooden model of a high-speed pilot boat with a length of 18.7 meters in calm water were examined. The model is arranged with 2 degrees of freedom, keeping it free to heave and pitch motions and fixed for other else. Experiments were started with no trim angle (LCB=LCG) for zero velocity in the model. By the way, experiments were carried out in accordance with ITTC procedures. Since the model is a fast hull form, form factor analyzes were not performed and air resistance was neglected during the analysis. During the experiments, along with the resistance characteristics, trim and sinkage values were found. More than one method has been investigated for trim and sinkage, and the laser meter measurement method, which is in good agreement with the results found via computational fluid dynamics method, has been adopted.
In the fifth chapter, model experiments with interceptors were carried out on a high speed boat. The model was towed at various speeds between 5 knots and 30 knots according to the scale of the actual ship and taking into account different positions of the interceptor with different blade deployment depths. In order to compare the effects, many parameters were taken into account by arranging the position of the interceptor in the stern area with different blade deployment depths. The interceptor plate was placed in the stern of the boat in three different positions throughout the experiments. These are the region close to the chine, the region close to the keel, and the middle regions between the chin and the keel. Apart from this situation in the experiments, a full region application was also performed from keel to the chine. Interceptor application scenes are also given in this section.
In the sixth chapter, high speed boat with stepped hull model experiments are explained. The model was towed at different speeds and taking into account with different step locations. In this thesis, apart from the interceptor effect and the effects of interceptor-stepped situations, a study was carried out to find the optimum step location in the transverse step application on the hull. In the study, 4 different step locations were determined longitudinally and a parametric study was performed with "s/LCB", which is the ratio of the longitidunal distance of the step from the stern over the LCB location. However, 20 mm depth was applied as a constant 4B % as hs/B for the step depth in all stepped locations. Also in this section, the effect of longitudinal step locations on the model resistance is examined and the optimum step location is interpreted in the results section.
In the seventh chapter, high speed boat with interceptor and stepped model experiments were carried out. The model was towed with interceptor application at different speeds while taking into account with different step locations. Then, the interceptor application was performed and interpreted in the optimum step location. Although there occured a decrease in trim angle compared to the model with the interceptor only, for the stepped model with interceptor experiments, there was an extreme decrease in trim and an increase in the resistance values in the experiment with 1 and 2 mm blade deployment depths in the same model. Since a blade depth with less than 1 mm could not be physically tested considering the experimental possibilities, the experiments could not be proceeded for the case with interceptor and step. For this reason, it is thought that the interceptor application is not quite efficient in the stepped model.
In the eighth chapter, the results obtained during the thesis work are given in graphics and interpreted. In this section, firstly, the results of the effect of the interceptor application on the resistance are given. It is stated that the proposed multiple regression model in this section can predict CTM quite well with an average error. However, the situation observed according to the experimental studies was that the interceptor should be closed at low speeds in full covering interceptor positioning, the interceptor shows its effect at medium speeds and is dependent on the depth, however, as the speed increases, the high blade depths should be reduced. High blade depths at relatively high speeds cause excessive reduction in hull trim, as well as more hull bow ingress and excessive spraying, resulting in high resistance formation. At blade depths below h/L= 0.31% (3 mm), resistance decreases as of 0.48 Fr. In addition, as the Fr number increases, the decrease in blade depth is more effective in decreasing the total resistance coefficient from the speeds at which the effectiveness of the interceptor starts. As the x/B ratio increases in the range of 0.5-1.15 Fr number in the blade depth, the decrease in resistance decreases. The study also predicted that the most effective interceptor location to minimize vessel drag was the keel location for the same velocity and blade depths compared to the mid and chine locations. Also, as expected from model tests and CFD analysis, the velocity of the fluid is lowest at the chine position and maximum at the keel position. Therefore, at a given speed, the boundary layer thickness is maximum in the chine region and minimum in the keel region. Since the h/δ ratio decreases from the keel to the chine at the same blade depth and speed, the blade depth must increase from the keel to the chine in order to get the same effect. With the study, it was understood that the most effective region in interceptor applications, apart from the full size, was the keel area, and then the middle region and the chine region, respectively.
As expected, increasing the interceptor blade depth increases the dynamic lift generated at the stern, which in turn reduces the trim angle. In addition, excessive blade depths result in negative trim angles. In cases of the interceptor is located in the keel area and the full covering interceptor, high blade depths cause a great decrease in the trim values of the boat compared to the non-interceptor state, so the bow of the hull enters the water. When the trim angles are examined in the case of the interceptor is in the chine position, it is observed that this condition creates less trim reduction compared to other regions. Again in this region, as the blade depth increases, the amount of decrease in the trim increases.
The model sinks in parallel for all cases up to a velocity of about 0.62 Fr. The peak value of sinkage occurs in the bare hull up to 0.49 Fr speed. The highest rise of the model occurs is in the bare hull, and then the chine position, where the efficiency of the interceptor is the least. In the case of the full-size interceptor, after parallel rise of the model, the movement to return to sinkage starts at approximately 1.07 Fr, but in other interceptor positions, this deflection starts at approximately 1.18 Fr numbers. Peak values of sinkage rates for all other cases except the bare hull are observed at approximately Froude number 0.50. In general terms, as the Froude numbers are greater than 0.50 and the application blade depth increases, the parallel rise of the model decreases.
In this thesis, a study to find the optimum step location in the transverse step application on the hull was also carried out. In the study, 4 different step locations were determined longitudinally and a parametric study was performed with the ratio of "s/LCB", which is the distance of the step from the stern, over to the LCB location. As considering to be the most effective case, when the Fr 0.74-1.1 speed range of a similar high-speed hull, the s/LCB value of the single step should be in the range of 0.75-0.82 (average 0.785). 
In the ninth chapter, considering the most efficient interceptor system design, since the applications of interceptors show different performances from the keel to the chine region, if applicable, the system should be equipped with intelligent control systems and consist of at least 3 separate parts that can move dynamically independently from each other. However, for a possible future study, it is suggested that the interceptor system, which consists of different parts and different blade depths at the same time, should be examined for rough sea conditions with different characteristics.