CFD applications for seakeeping calculations of floating bodies
Yüzer cisimlerin denizcilik hesapları için CFD uygulamaları
Yazar: BURAK TUNÇ ÇEKİRDEKÇİ
Danışman: PROF. DR. KADİR SARIÖZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Denizcilik hesapları, akışkan dinamiğinden ve hareketlerin karakteristiklerinden dolayı oldukça karmaşıktır. Yüzer bir yapının denizcilik performansını hesaplayabilmek için iki ana problemin çözülmesi gerekmektedir. Bunlardan ilki, dalga kaynaklı zorlayıcı kuvvetlerle ilgili olan hidrodinamik problemdir. Diğer ana problem ise bu kuvvetlerden kaynaklanan yapı hareketlerinin incelendiği dinamik problemdir. Yüzer bir yapının dalgalar içerisindeki hareketlerinin belirlenmesinde eksu kütlesi ve sönüm kuvvetlerinin de ayrıca hesaplanması gerekmektedir.

Dilim teorisi, hidrodinamik kuvvet ve momentlerin belirlenmesinde oldukça sık kullanılan bir yöntemdir. Konvansiyonel gemilerin denizcilik hesaplarında, dilim teorisi oldukça başarılı sonuçlar vermektedir. Bununla birlikte dilim teorisi temelinde hazırlanmış olan birçok yazılım, küresel gemi inşa ve açık deniz yapıları sektöründe sıkça kullanılmaktadır. Dilim teorisinin uygulanabilir olmadığı, geliştirilen yeni gemi formları ve konvansiyonel olmayan açık deniz yapılarının tasarımıyla birlikte üç boyutlu panel yöntemi geliştirilmiştir. 

Son yıllarda, CFD tabanlı hidrodinamik analiz yazılımlarının hızlı gelişimiyle birlikte, denizcilik problemleri için CFD tabanlı hesaplama yöntemlerine ait uygulamaların sayısı da artış göstermektedir. 

Bu çalışmanın temel amacı, denizcilik performans özelliklerinin belirlenmesinde, deniz koşullarının matematiksel olarak tanımlandığı CFD tabanlı yöntemlerin uygulanabilirliğini göstermektir. Bu amaçla üç boyutlu panel yöntemi temelinde geliştirilmiş olan bir CFD yazılımı (AQWA) seçilmiştir.


ineer denizcilik çalışmalarının doğrulanması adına dört farklı çalışma yapılmıştır. Bunlardan ilki, kare, üçgen ve silindirik kesitli yüzer cisimlerin eksu kütlesi ve sönüm katsayılarına ait deneysel sonuçlar, AQWA sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. İkinci çalışmada, kare kesitli bir dubanın dilim teorisiyle yapılan hesaplamalarına ait sonuçlar, AQWA ile yapılan analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Üçüncü karşılaştırmalı çalışmada ise Seri 60 formlu bir gemi incelenmiştir. Son çalışma olarak da temel tasarımı, Amerikan Deniz Kuvvetleri'ne ait DDG51 tip muharip sınıf gemi formuna dayanan DTMB 5415 model bir gemiye ait deneysel hareket ve ivme sonuçları AQWA sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmalara ait yorumlar CONCLUSION & FUTURE WORKS bölümünde sunulmaktadır.

Abstract:
Seakeeping calculations are very complex due to dynamics of fluid and the characteristics of the motions. Two fundamental problems are solved to calculate the seakeeping performance of a vessel. The first of these is the hydrodynamics problem which is about wave exciting force and the other is dynamic problem which is relevant to the motions due to wave exciting forces. Also to obtain the motions in waves, added mass and damping forces of the vessel have to be calculated. 

Strip theory is one of the most popular methods to predict the hydrodynamic forces and motions. Very accurate results are obtained for conventional ships by the strip theory and a number of software based on this theory are widely used by the shipbuilding and offshore engineering industry around the world. However, as a consequence of development of new ship forms and unconventional offshore structures 3D panel methods have been developed for the cases where the strip theory is not applicable.

Rapid development of CFD based hydrodynamic analysis software in recent years has resulted in the application of CFD based computational methodologies for seakeeping problems. The main goal of this study is to show the feasibility of CFD based methods for predicting seakeeping performance characteristics in a mathematically described seaway. For this purpose a typical CFD software (AQWA) based on 3D panel method was selected.

Four different case studies are performed to validate the linear seakeeping theory. First, the experimental results of added mass and damping coefficients of rectangular, triangular and cylindrical shaped floating bodies are compared with AQWA results. Second, the results of the calculations by strip theory of a rectangular barge are compared with those obtained by AQWA. The third comparative study is relevant with Series 60 formed ships. In the last study, the results of experiment, which is predicted the motions and accelerations of DTMB 5415 model based on the DDG51 type US Navy Combatant form, are compared with AQWA results. Comments about all studies are presented in CONCLUSION & FUTURE WORKS section.