Gemilerde baca formunun gaz akışına etkileri
The effects of exhaust duct form on gas flow on ships
Yazar: UFUK KIRAY
Danışman: PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Gemilerde ilk defa buharlı makinelerin kullanılmasıyla birlikte yanma sonu sıcak egzoz gazlarının gemi dışına tahliyesi için bacalar kullanılmış ve günümüzde de hala kullanılmaktadır. İkinci Dünya Savaşı'nın başlamasıyla birlikte insanlar bulundukları ortamda tespit edilebilirliği zorlaştırmak maksadıyla çeşitli kamufulaj teknikleri geliştirmişlerdir. Fakat geliştirilen bu kamufulaj teknikleri daha çok bulunulan ortamda gözle seçilebilirliği zorlaştırma prensibi üzerine kurulmuştur. Gözle tespit edilebilirliğin zorlaşması üzerine infrared tespit cihazları geliştirilmiştir. İnfrared tespit cihazları daha çok ortam sıcaklığından farklı sıcaklıklara sahip cisimlerin tespit edilmesini kolaylaştırmaktaydı. Ortam sıcaklığından daha yüksek veya düşük sıcaklığa sahip olan cisimler ortam ile aralarında bulunan sıcaklık farkı doğrultusunda bir infrared iz oluşturmaktadır ve infrared iz ne kadar büyükse tespit edilmek o kadar kolay olmaktadır. Bu açıdan düşünüldüğünde gemilerde sıcak egzoz gazlarının ne kadar büyük bir infrared iz oluşturduğu anlaşılmaktadır. Yapılan araştırmalar baca gazlarından dolayı oluşan infrared izin geminin toplam infrared izinin yaklaşık olarak %50'sini oluşturduğunu göstermiştir. Yapılan araştırmalar doğrultusunda gelişen infrared güdümlü silahlar ile birlikte infrared tespit edilebilirliği düşürmek maksadıyla infrared karşı tedbirler günümüze kadar hızla gelişmiş ve günümüzde hala gelişimini sürdürmektedir. Yüzer platformlarda infrared gizlenmenin en önemli ve en zor kısmını 500 C gibi yüksek sıcaklıklara sahip egzoz gazının baca çıkışına kadar olabildiğince ortam sıcaklığına kadar düşürülmesi oluşturmaktadır. Bu maksatla yüksek savaş teknolojisine sahip ülkeler çeşitli baca sistemleri geliştirmişlerdir. Bu sistemlerin en önemlisi idaktör/difüzer sistemidir.
Bu tez çalışmasında idaktör/difüzer sistemleri gibi karmaşık yapılardan ziyade daha basit baca geometrileri incelenmiştir. Her ne kadar basit baca geometrileri incelense de yapılan bu çalışmanın ileriki çalışmalar için bir temel oluşturacağı ve idaktör/difüzer sistemlerine ilişkin baca kesit formunun belirlenmesi hususu açısından önemli olacağı düşünülmektedir. 
Yapılan bu tez çalışması kapsamında geçmişten günümüze birçok yüzer platformda kullanılan ve bu çalışma için de referans geometri olarak belirlenen dairesel kesitli baca geometrisi ile birlikte bir adet kare, iki adet dikdörtgen, iki adet eliptik, iki adet oval ve dört adet ortasında daralan kesite sahip dairesel çıkış kesitli baca geometrisi olmak üzere toplam on iki adet baca geometrisi incelenmiştir. İncelen geometrilere ilişkin çizimler Solidworks programı ile yapılmış olup daha sonra bu çizimler ANSYS Workbench 14.5 programına transfer edilmiştir. Baca geometrilerine ilişkin ağ yapıları ANSYS Workbench 14.5 programı vasıtasıyla oluşturulmuş ve akış  
analizlerine ilişkin sayısal çözümlemeler FLUENT 6.3 programı kullanılarak yapılmıştır. 
FLUENT 6.3 programı vasıtasıyla gerçeğe yakın ve kabul edilebilir CFD analizleri yapabilmek için simüle edilen duruma en uygun sınır koşulları belirlenmiş ve uygun bir türbülans modeli seçilmiştir. Akış analizlerini yapabilmek maksadıyla FLUENT 6.3 CFD programı tarafından desteklenen türbülans modelleri içerisinden gerçeklenir k-Ɛ türbülans modeli temel türbülans modeli olarak seçilmiş olup standart duvar fonksiyonları ile birlikte kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında ele alınan on iki adet baca geometrisine ilişkin hız, sıcaklık ve basınç dağılımları ile birlikte çıkış kısmı x ve z simetri eksenleri boyunca hız, sıcaklık, basınç dağılımları ve baca geometrilerine ilişkin xy simetri düzlemi boyunca sıcaklık dağılımları incelenmiş ve birbirleri ile kıyaslanmıştır. Yapılan CFD analizleri incelendiğinde ve birlikte değerlendirildiğinde referans geometri olarak belirlenen dairesel kesitli baca geometrisi azami sıcaklık değerine egzoz gazlarının yoğun olarak bulunduğu çekirdek bölgenin soğuması bakımından en düşük performansa sahip olduğu görülmüştür. Her hangi bir daralan kesite sahip olmayan diğer baca geometrilerine ilişkin veriler birbirine oldukça benzerdir. Baca geometrilerine ilişkin yüksekliğin yarısına kadar daralan ve daha sonra çıkış kesitine doğru gidildikçe genişleyen baca geometrileri incelendiğinde daralan kesitlerden ziyade genişleyen kesitlerde soğumanın çeperlerden merkeze daha iyi etkin bir şekilde nüfuz ettiği görülmüştür.

Abstract:
When the machine, working with steam, used as a main propulsion system in ships for the first time, the exhaust ducts was needed to discharge the hot exhaust gases to atmosphere and it is still needed at the present time. In the World War II, peoples developed some camouflage techniques to make the detecting as difficult as possible. But this camouflage techniques stand for the principle related with detecting by eyes in an enviroment. When the detecting by eyes became difficult, the infrared detection devices was developed. The infrared detection devices was mostly helpful for detecting an object which has a different temperature according to enviroment. The objects which have a higer or lower temperature according to enviroment have an infrared signature. The detectability changes to the magnitude of the infrared signature. The detectability of an object increases when the infrared signature increases and decreases when the infrared signature decreases. When we take into account the temperature of the hot exhaust gases, It is easily understood the magnitude of infrared signature belongs to a ship because of the hot exhaust gases. The researches showed that half of the infrared signature of a ship occured because of hot exhaust gases. In the direction of the researches, the infrared guided weapons and its countermeasures to harden the detectability devoloped rapidly and their developing process continue. Decreasing the 500 C exhaust gases as possible as to the lower levels consist of the most important and the most difficult case of the infrared supression. The countries which have high technology, developed various exhaust duct systems to decrease the hot exhaust gas temperature as possible. The most important system relating with exhaust suppression is Eductor/Diffuser.
In this study, exhaust ducts which have simple geometry was analysed instead of complex eductor/diffuser system. Altough analysing simpler exhaust duct geometries to the eductor/diffuser system in this study, this study can be important for the case of choosing the geometrical form of the eductor/diffuser system.
The Reynolds similarity rule must be applied to the exhaust duct geometries to compare the CFD analyses results belongs to different geometries. When the exhaust duct geometries were created the Reynolds similarity rule was taken into account.  When the exhaust duct geometries were created, firstly the circular shaped exhaust duct geometry was calculated then according to the circular exhaust duct geometry the other exhaust duct geometries were created using Reynolds similarity rule. The Reynolds similarity rule based on the Reynolds number similarities of different exhaust ducts. In the other word, the Reynolds number of different exhaust ducts must be equal or very close to eachother. If we accept that  
the density and viscosity of the fluid are not changed, the hydraulic diameter of the geometries are different because the cross section of the geometries are different. As a result of this situation, the flow velocities in the exhaust ducts become different. Altough the cross sections of the geometries, the hydaulic diameters of the exhaust ducts and the velocities of the flows in the exhaust ducts are different, the mass must be conserved. According to the conservation of mass, the mass flow rate of the hot exhaust gas flows through the ducts must be equal. If we take into account the case of the equality of the mass flow rate and the case of the Reynolds number similarity in our calculations, we can find a relation. When the exhaust ducts excluding the circular shaped exhaust duct were created this relation was used. According to this relation, the perimeter of the exhaust ducts evaluated in this thesis must be equal to the value of  √16π. This relation is really very important.
When we use FLUENT 6.3 CFD program, If we want to obtain results compatible with real situation, firstly we must define realistic boundary condition and select appropriate turbulence model to our simulations. In this study, the realizable k-ε turbulence model with standart wall function was selected as a main turbulence model among the turbulence models supported by FLUENT 6.3 CFD program. 
In this study, adding to the circular exhaust duct which is the most popular geometrical form of the exhaust ducts from past to present and the reference exhaust duct geometry for his study, one square, two rectengular, two elliptic, two oblong and four exhaust ducts which have a narrowing section to a defined diameter in the middle of the ducts, totally twelve different formed exhaust duct was analysed. The modal of the exhaust duct geometries examined in this study was designed by the program named Solidworks. Then these drawings was transferred to the program named ANSYS Workbench 14.5. The mesh structures related with selected exhaust duct geometries were build in ANSYS Workbench 14.5. After building the mesh structures belong to the exhaust duct geometries, flow analyses were made by using the FLUENT 6.3 CFD program. When analysing the selected exhaust duct geometries, for obtaining realistic and acceptable result we should define convenient boundary conditions and select convenient turbulence model supported by FLUENT program. For making the flow analyses, the realizable k-Ɛ turbulence model was selected as primary turbulence model among the turbulence models supported by FLUENT 6.3 CFD program and it was used for CFD analyses with standart wall functions. 
In this study, adding to the velocity, temperature and pressure contours, velocity, temperature and pressure distribution along the x and z symmetry axis in the exit section of exhaust ducts and temperature contours on xy plane of symmetry was evaluated for the selected twelve exhaust duct geometry. The results also compared with each other. After making the CFD analyses, when the obtained results were examined and evaluated together, the circular shaped exhaust duct geometry which was selected as a reference geometry for this study, gave the worst result for the core region. The core region was occupied by the hot exhaust gases which have maximum temperature value. The resulst for the other exhaust duct geometries which do not have any narrowing section in the middle of the duct, are very similar to each other. It was seen that the cooling from wall to center is better for the exhaust ducts which have a narrowing section to a defined diameter in the middle of the exhaust duct. If we evaluated the exhaust ducts which have narrowing section in the middle of them, we can see that the core region has the lowest value for the exhaust geometry-12. But if we take into account the total mass flow rate with the area of the core regions, the uncooled exhaust gas mass are very close to eachother. As a result we can say that when the length of the narrowing section increases, the core region area decreases. But the exhaust gas which can not cool, have the same mass flow rate.