Gemi pervanelerinde oluşan kavitasyonun sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of cavitation on marine propellers
Yazar: AKİF CAN TÜREL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN ARIKAN ÖZDEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Kavitasyon, değişen basınca bağlı olarak bir sıvı içinde buhar kabarcıklarının oluşup ardından çökmesiyle meydana gelir. Varlığı geminin bekası, tahrik sistemlerinin verimliliği ve dayanıklılığı açısından gemide önemli zorluklar yaratmaktadır. Ayrıca akış kaynaklı gürültünün ana sebeplerinden biri olup, deniz canlılarının göç yolları ve üreme alanlarını olumsuz etkiler. Ayrıca pervane ve tekne arasındaki etkileşimden doğan hidrodinamik yükler, gemi karinasında vuruntu kaynaklı titreşime neden olur. Bu durum hem yolcu ve mürettebat konforunu olumsuz etkilemekte hem de yapısal bileşenlerde yorgunluğa bağlı deformasyonlara neden olmaktadır. Bu sebeplerden dolayı pervanenin kavitasyon performansı ile tekne karinasındaki vuruntusu geminin inşasından önce hem deneysel hem de hesaplamalı yöntemlerle incelenmelidir.
Kavitasyon ve gürültünün gemi bünyesinde, gemi personelinde ve deniz canlıları üzerinde meydana getirdiği olumsuz etkileri nedeniyle hem askeri hem de sivil otoriterlerce bahse konu problemleri minimuma indirecek tasarımsal ve operasyonel düzenlemelerin araştırılması teşvik edilmiş, dolayısıyla bahse konu alanda geçmişten günümüze çok sayıda çalışma yapılmıştır. Ayrıca günümüzün gelişmiş teknolojik imkân ve yeteneklerine bağlı olarak gelişen deneysel ve nümerik yaklaşımlar, pervanede meydana gelen kavitasyonu ve akış kaynaklı gürültüye yönelik ciddi ön görü sağlamaktadır.
Bu tez kapsamında ise, pervanede hatve (P), kanat alan oranı (BAR), çalıklık ve eğiklik açısı parametrelerin kavitasyon ve gürültü üzerindeki etkisi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizi kullanılarak belirlenmeye çalışılmıştır. Yapılan HAD hesaplamalarının doğruluğunu belirleyebilmek için SVA PPTC 2011 sempozyumunda kullanılan VP 1304 pervane geometrisinin açık su ve kavitasyon tüneli test sonuçları ile literatürde yer alan KP505 pervanesinin açık su ve KCS gemisinin sevk deneyi sonuçları referans alınmıştır. Bu doğrulama çalışmalarının ardından, ilk olarak VP 1304 pervane geometrisine benzer bir başlangıç pervane geometrisi modellenmiştir. Daha sonra, bu başlangıç pervanesinin BAR, P, çalıklık ve eğiklik parametrelerinden her defasında biri değiştirilerek dört farklı pervane tasarlanmıştır. Bahse konu her bir parametrenin kavitasyon üzerindeki etkisi ayrı ayrı değerlendirilmiş ve başlangıç pervanesinin kavitasyon performansını olumlu yönde etkileyen parametreler, "nihai" olarak adlandırılan yeni tasarım pervaneye uygulanmıştır. Kavitasyon performansının ön planda tutulduğu bu tasarım süreci sonundaysa başlangıç ve nihai pervane geometrileri KCS gemisine entegre edilerek vuruntu performansları kıyaslanmıştır. Yapılan tüm bu kıyaslamalar neticesinde; pervanede BAR, eğiklik ve çalıklık parametrelinde artışın sağlanması açık su verimini azaltırken, kavitasyon ve karinadaki vuruntuda azalmaya neden olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Cavitation occurs in a liquid due to changing pressure, resulting in the formation and subsequent collapse of vapor bubbles. Its presence creates significant challenges for a ship in terms of its survivability, propulsion system efficiency, and durability. Additionally, it is one of the main causes of flow-induced noise, adversely affecting the migration routes and breeding areas of marine organisms. Moreover, hydrodynamic loads resulting from the interaction between the propeller and the hull cause impact-induced vibrations in the ship's hull. This condition negatively affects both passenger and crew comfort and leads to fatigue-related deformations in structural components. For these reasons, both experimental and computational methods should be employed to investigate both the propeller cavitation performance and induced pressure pulses before the ship's construction.
Due to the adverse effects of cavitation and noise on ships, ship personnel, and marine life, both military and civilian authorities have encouraged research into design and operational regulations aimed at minimizing these problems. Consequently, numerous studies have been conducted in this field from the past to the present. Additionally, experimental and numerical approaches, which have evolved with today's advanced technological capabilities, provide significant insights into cavitation occurring in propellers and flow-induced noise.
In this thesis, the impact of parameters such as pitch (P), blade area ratio (BAR), skew, and rake angle on cavitation and noise was investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. To verify the accuracy of the CFD calculations, the results of open water and cavitation tunnel tests on the VP 1304 propeller geometry from the SVA PPTC 2011 symposium were utilized. Additionally, data from open water tests on the KP505 propeller and self-propulsion results of the KCS ship found in the literature served as references. Following these validation studies, a base propeller geometry like the VP 1304 propeller was initially modeled. Subsequently, four different propellers were designed by adjusting the parameters of BAR, P, skew, and rake angles from this base propeller. The impact of each parameter on cavitation was assessed individually, and those parameters that positively influenced the cavitation performance were used into a new design, termed as "developed." At the conclusion of this design process, where cavitation performance was prioritized, initial and final propeller geometries were integrated into the KCS ship to compare their hull-induced pressure performances. As a result of all these comparisons, it was determined that an increase in blade area ratio (BAR), skew, and rake parameters leads to a reduction in open-water efficiency while causing a decrease in cavitation and hull-induced pressure.