ONR Tumblehome gemisi serbest yalpa sönümünün deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of free roll decay of the ONR Tumblehome ship
Yazar: BURAK GÜNGÜDER
Danışman: DOÇ. DR. ÖMER KEMAL KINACI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Askeri gemiler = Naval ships ; Azalma = Reduction ; Sönümleme katsayısı = Damping coefficient ; Yalpa = Roll

Özet:
Gemi yalpası, yolcu ve mürettebat konforunu ciddi derecede etkileyen, kaptanların istemsiz olarak geminin seyir hızın düşürmelerine sebep olan ve gemilerin manevra hareketinde hesaba katılması gereken, denizcilik açısından en kritik gemi hareketlerinden biridir. Özellikle kuvvetli dalga ve rüzgâr gibi dış etkenlerin baskın olduğu şiddetli deniz durumlarında yalpa hareketi daha da önem kazanmaktadır. Bu kapsamda tez çalışmasının ana hedefleri; Zumwalt sınıfı muharip askeri gemi olan Office of Naval Research Tumblehome'un (ONRT) yalpa sönüm davranışını, yalpa açısı parametresine bağlı olarak serbest yalpa sönüm testi metodu ile deneysel ve hesaplamalı çalışma olarak incelenme kabiliyetinin ortaya konulması ve bu çalışmalar üzerinden yapılan yalpa sönüm katsayıları hesabının değerlendirilmesidir.
Genelden özele doğru, yalpa hareketinin ve yalpa sönümünün, serbest yalpa sönüm testi ile incelendiği literatürdeki mevcut çalışmalara Bölüm 1'de yer verilmiştir. Ardından, gemilerdeki yalpa sönümü ile genel bir çerçeve çizilip, kullanılan materyal ve metotlar ile amaç ve kapsama detaylandırılmıştır. İlk bölümde yapılan genel bir girişin ardından, Bölüm 2'de, ilk olarak gemilerdeki sönümlü yalpa hareketi davranışının teorik altyapısı hakkında bilgi verilmiştir. Tez çalışmasının özne gemisi olarak belirlenen ONR Tumblehome gemisi tanıtıldıktan sonra deney izahatlarına geçilmiş ve öncelikle model deneylerinde kullanılan deney cihazlarının teknik özellikleri detaylandırılmıştır. Kısaca bahsetmek gerekirse, serbest yalpa sönüm testleri için oluşturulan deney düzeneğinde ilk olarak deney cihazlarının yerleşimi gerçekleştirilmiştir. Modelin x-ekseni etrafındaki rotatif hareketini ölçmek için eğim ölçer ve bu hareketten kaynaklı ivmelenmeleri ölçmek için ivme ölçer sensörler kullanılmıştır. Model gemi, İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi bünyesinde bulunan Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'ndaki çekme tankında model ölçeğine uygun deplasmana ulaşmak için ağırlık eklenmiştir. Deney düzeneği kurulumu tamamlandıktan sonra, suya indirilen model geminin ağırlık merkezi tayini için meyil testi gerçekleştirilerek ağırlıkların nihai konumu tespit edilmiştir. Deneysel çalışma için ön hazırlık süreci tamamlandıktan sonra serbest yalpa sönüm deneylerine başlanmıştır.
Çalışmada, serbest yalpa sönüm testleri iki farklı ilk yalpa açısı koşulu için iki vaka olarak incelenmiştir. Test vakalarında, basit sarkaç hareketinin sınırı olan 10° ve bu basit hareketin etkisinden arınmak için 20°, ilk yalpa açıları olarak tercih edilmiştir. Vakalardaki ilk yalpa açısı farklı, deneyin kalan tüm koşulları aynıdır. Tüm deney süreci, dış etkenlerin en az seviyede olması için model deney havuzunun en derin olduğu ve yansıyan dalganın az olacağı bir konumda yürütülmüştür. Sakin su ve sıfır ileri hızda yapılan serbest yalpa sönüm deneyleri, üç kısma ayrılarak izah edilmiştir. İlk kısımda, 10°'lik başlangıç yalpa açısının serbest yalpa sönüm (SYS) deneyini kapsamaktadır. İlk yalpa açısı 10°'ye ulaşana kadar iskele bordasına meyil yaptırılan model gemi, o konumdan serbest bırakılarak serbest yalpa sönümü yaptırılmıştır. Model geminin yalpa açısı yaklaşık 0° olup, gemi dik konuma geldiğinde test sonlandırılmıştır. İkinci kısımda, 20° başlangıç koşulunda yapılan deneylerden bahsedilmiştir. İlk kısımdaki test prosedürü, 20° için uygulanarak testler gerçekleştirilmiştir. Üçüncü kısımda, simetri kontrol testi anlatılmıştır. Simetri testinde, z-ekseni etrafında 180° döndürülen model gemiye SYS testlerindeki prosedür iki vaka için sancak bordasından uygulanmıştır.
Her iki vakada eğim ölçerden alınan yalpa açıları kullanılarak, vakalara ait yalpa genlikleri zaman bağlı olarak elde edilmiştir. Analitik denklem yardımıyla model gemiye ait yalpa hareketinin doğal periyodu 1.665 s olarak hesaplanmıştır. Model geminin iki farklı koşuldaki doğal yalpa periyotları ölçülmüş, analitik denklemden hesaplanan periyot ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda hesaplanan periyot ile 10°'deki ölçülen periyotlar arasında en fazla %0.54, 20°'dekiler ile en fazla %2.52 fark görülmüştür. Bu durum periyotlar açısından iyi bir uyum olduğunu göstermiştir. Deneyler sırasında iskele ve sancak bordalardaki ve boyuna eksenden geçen merkezdeki ivmeler de ölçülmüştür. Bu ivme verileri zamana bağlı grafikler halinde sunulmuştur.
Yalpa sönümünün deneysel çalışma ile incelenmesinin ardından, yürütülen hesaplamalı çalışma süreci Bölüm 3'te anlatılmıştır. Bu bölümde hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri için seçilen çözüm yöntemi ve genel özellikleri hakkında bilgi verilmiş ve gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları detaylandırılmıştır. HAD analizlerinde çözüm yöntemi için Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemleri, zamana bağlı (URANS) olarak tercih edilmiştir. Mevcut çalışmalarda daha iyi sonuçlar sağladığı anlaşıldığından, analizlerde ağ yapısı olarak overset kullanımı uygun görülmüştür. Hesaplama bölgesi, ağ yapısına uygun olarak overset ve arka plan adlı iki ana bölgeye ayrılmıştır. Serbest yalpa sönümü yapan model gemi hareketlerine ve deneylerde edinilen izlenimle, yalpa sönümünün serbest su yüzeyinde oluşturduğu dalgaların boyutlarına uyacak bir ağ örgüsü kurulumu gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma bölgesinin ortam koşulları deney çalışmalarındaki ile aynı özelliklerde tayin edilmiştir. Ayrıklaştırılan overset çözüm bölgesinde, model gemi hareketleri dinamik akışkan yapı etkileşimi (DFBI) ile altı-serbestlik derecesinde (6DOF) incelenmiştir. Zaman adımının belirlenmesinde, yalpa sönüm hareketinin bir periyodu 100 zaman adımına bölünerek 0.01665 s olarak seçilmiştir. Yalpa çalışmalarında diğer modellere göre üstün olması nedeniyle SST Menter k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Model geminin ağrılık merkezi konumunun kesin olarak tayin edilmesinin mümkün olmaması nedeniyle analizlerde kullanılan atalet momenti, yalpa periyoduna bakılarak deneme yanılma metodu ile belirlendikten sonra başlangıç koşullarına atanmıştır. 
HAD analizleri, 10° ve 20° ilk yalpa açıları vakaları için yapılmıştır. Oluşturulan hesaplama bölgesi her iki vaka için de kullanılmış, analizler zamana bağlı olarak çözdürülmüştür. 10° serbest yalpa sönüm simülasyonunda model gemi iskele bordasına 10° yatırılmıştır. Analiz başladığı anda, model gemi serbest bırakılmış ve yalpa sönümlenmeye başlamıştır. Simülasyon fiziksel zamanı 20 saniyeye ulaşınca, analiz sonlandırılmıştır. 20°'lik ilk yalpa açısı simülasyonunda da aynı prosedür takip edilmiştir. Netice olarak, HAD analizleri ile geminin zamana bağlı yalpa hareketi elde edilmiştir. Deney ve simülasyon sonuçları kıyaslandığında, hareketin ilk 10 saniyesi için oldukça başarılı bir uyum gözlenmiştir. HAD vasıtasıyla elde edilen yalpa periyoduyla hesaplanan periyot arasında %1 civarında fark bulunmuşken, bu fark deneylerle kıyaslandığında %1'den daha da azdır. Bu sonuçlar, HAD ile deneyler arasındaki uyuma işaret etmektedir. Tüm simülasyon süreci boyunca vakaların iskele ve sancak bordalardaki zamana bağlı ivme verileri de ayrıca raporlanmıştır. Hesaplamalı çalışmalar ile ilgili tüm süreç Star-CCM+ paket programında yürütülmüştür.
HAD sonuçlarının deneylerle uyumu gözlendikten sonra, yalpa sönüm katsayılarının hesabına Bölüm 4'te yer verilmiştir. Deneyler ve HAD analizleri, yalpa sönüm katsayıları hesabı için ayrı ayrı kullanılmıştır. Hesaplamalarda, model geminin serbest bırakıldığı andan itibaren iskele ve sancak yönündeki azami yalpa açıları kullanılmıştır. Serbest yalpa sönüm testine özel bir durum olarak, model geminin yalpa hareketinin doğasına aykırı şekilde ilk harekete başlamaktadır. Bu nedenle, ilk üç yarı salınımdaki azami değerlerin sönüm katsayıları üzerindeki etkisi incelenmiştir. İki farklı çalışmanın sonucundan elde edilen yalpa sönüm katsayıları, vakaların kendi içlerinde kıyaslanmasıyla sayısal çalışmanın başarısı değerlendirilmiştir.
Tez çalışmasında, deneysel ve hesaplamalı çalışmalar ile yalpa sönüm katsayılarının hesaplanması, ampirik formüllerden oluşan Ikeda metoduna alternatif yöntemler olarak incelenmiştir. Bu çalışmada, yalpa sönümü hadisesinin sayısal çalışmalarla incelenmesinin uygunluğu araştırılmıştır. Öncelikle model geminin yalpa sönüm davranışı, iki farklı yalpa açısındaki serbest yalpa sönüm deneyleri ile incelenerek, sayısal analizlere referans oluşturulmuştur. Ardından, simülasyon çalışmaları ile incelenen yalpa sönümünün deneyler ile olan uyumuna bakılmıştır. İki farklı çalışmadan elde edilen sonuçlarla hesaplanan yalpa sönüm katsayıları ile sayısal yöntemin başarısı araştırılmıştır. Elde edilen sonuçların, gemilerdeki yalpa hareketi araştırmalarına, deneysel ve sayısal temelli çalışmaların gelişimine fayda sağlaması öngörülmektedir.

Abstract:
Ship roll is one of the most critical ship motions which seriously affects the comfort of passengers and crew and causes the ship master to unintentionally reduce the cruising speed of the ship. Roll is not only a significant seakeeping motion but it should also be considered in manoeuvring of slender ships. Especially in severe wave and weather conditions, the roll motion becomes even more important. In this context, the main objective of the thesis study is to calculate the roll damping behaviour of the ONR Tumblehome ship with free roll decay tests. The thesis covers experimental and computational studies, computing the roll damping coefficients using both methods.
The literature examining the roll motion and roll damping with the free roll decay test is reviewed in Chapter 1. Afterwards, a general framework about roll damping in ships was presented and the purpose and scope were given together with the materials and methods used. In Chapter 2, firstly, the theoretical background of damping on roll motion is given. Following the theoretical background, the details about the ONR Tumblehome ship used in the computational and experimental studies was introduced. The technical specifications of the test devices used in the model experiments are detailed. At the beginning of the free roll decay setup, the test devices were positioned. Inclinometers were used to measure the rotational motion of the model around the x-axis and accelerometer sensors were used to measure the accelerations caused by this motion. After the experimental setup was completed, the inclining test was carried out to determine the centre of gravity of the model ship. the preliminary preparation process for the experimental study was completed, then free roll decay experiments were started.
In the study, free roll decay tests were investigated for two different initial roll angle conditions. In the test cases, 10°, which is the limit of simple harmonic motion, and 20°, which avoid this simple motion effect, are preferred as initial roll angles. All remaining conditions of the experiment are the same while the initial roll angles are different. The experiments were carried out in a position where the towing tank was the deepest and the wave effect reflected from the walls would be the least in order to minimize external factors. Free roll decay experiments in calm water and zero forward speed are explained by dividing into three parts. The first part covers the free roll decay (FRD) test of an initial roll angle of 10°. The model ship, which was inclined to the port side until the first roll angle reached 10°, was released from that position and free roll damping was performed. The roll angle of the model ship is approximately 0°, and the test is terminated when the ship Is in the upright position. In the second part, the experiments carried out at the initial 20° condition are detailed. Tests were carried out by applying the same test procedure. In the third part, the symmetry control test is explained. In the symmetry test, the procedure in the FRD tests was applied to the model ship, which was rotated 180° about the z-axis, from the starboard side for two cases.
By using the roll angles obtained from the inclinometer in both cases, the Time-dependent roll amplitudes of the cases were obtained. With the analytical equation, the natural period of the roll motion of the model ship was calculated as 1.665 s. The natural roll periods of the model ship under two different conditions were measured and compared with the period calculated from the analytical equation. As a result of this comparison, a maximum difference of 0.54% was observed between the calculated period and the measured periods at 10°, and a maximum difference of 2.52% with those at 20°. This showed that there was a good agreement in terms of periods. During the experiments, accelerations on the port and starboard sides and in the Longitudinal centre of gravity were also measured. The plots of the time-dependent acceleration responses were presented.
After examining the roll damping by experimental study, the process of computational study is described in Chapter 3. In this section, informative details about solution strategies used in Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were represented. Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations were preferred as time dependent (URANS) for the solution method in CFD analyses. Since it has been understood that it provides better results in the current studies, the use of overset as a mesh structure in the analyses has been deemed appropriate. The computational region is divided into two main regions, the overset and the background, in accordance with the mesh structure. Based on the free roll damping model ship motions and the experiences gained from the experiments, a mesh generation was carried out to fit the dimensions of the waves formed by the roll damping. The initial conditions of the computational domain were determined with the same characteristics as in the experimental studies. In the discretized overset solution region, model ship motions are investigated at six-Degrees-Of-Freedom (6DOF) by Dynamic Fluid Structure Interaction (DFBI). One period of the roll damping motion was divided into 100-time steps and the time step was chosen as 0.01665 s. SST Menter k-ω turbulence model was preferred because it is superior to other models in roll studies. Since it is not possible to determine the exact position of the centre of gravity of the model ship, the moment of inertia used in the analysis was determined by trial and error method by looking at the roll period and assigned to the initial conditions of CFD analysis.
CFD analyses were performed for cases of 10° and 20° initial roll angles. The established computational domain was used in two cases, and the analyses were solved based on time. In the simulation of 10° free roll damping, the model ship is inclined 10° to the port side. As soon as the analysis started, the model ship was released and started roll damping motion. When the simulation physical time reached 20 seconds, the analysis was terminated. The same procedure was followed for the initial roll angle simulation of 20°. As a result, time dependent roll amplitudes of the cases were obtained by CFD simulations. When the roll amplitudes of the experimental and numerical studies were compared, a good agreement was observed for the first 10 seconds of the motion in both cases. While there was a difference of around 1% between the simulated and the calculated periods, it was observed that there was less than a 1% difference between the periods simulated and measured from the experiments. These results also indicate a successful consistence between the analyses and the experiments. During the whole simulation process, time-dependent acceleration data of the cases on the port and starboard sides are also reported. The entire process of computational studies was carried out in the Star-CCM+ package program.
After confirming the results of the computational studies and the agreement between the roll amplitudes and roll periods of the test outputs, the calculation of the roll damping coefficients is given in Chapter 4. Time dependent roll amplitudes obtained by experiments and CFD analyses were used to determine the roll damping coefficients. In the calculations, the maximum roll angles that the model ship reached in port and starboard directions during roll damping were used. As a special case of the free roll damping test, the model starts initial motion contrary to the nature of the ship's roll motion. For this reason, the effect of the maximum values in the first three half oscillations on the damping coefficients was investigated. The roll damping coefficients obtained from the results of two different studies were compared, and the success of the numerical study was evaluated.
In the thesis study, experimental and computational studies and calculation of roll damping coefficients were examined as alternative methods to the Ikeda method, which consists of empirical formulas. In this study, the suitability of examining the roll damping phenomenon with numerical studies was investigated. First of all, the roll damping behaviour of the model ship was examined with free roll decay experiments at two different roll angles. Then, the compatibility of the roll damping results of numerical and experimental studies was examined. The success of the numerical method was investigated with the roll damping coefficients calculated with the results obtained from two different studies. It is anticipated that the results will make a contribution to the research of roll motion in ships and the development of experimental and numerical studies.