Gemi pervanelerinde ölçek etkisinin açık su karakteristikleri, kavitasyon oluşumu ve kavitasyon erozyonu üzerinde incelenmesi
An investigation into the scale effects on open water, cavitation and erosion characteristics of marine propellers
Yazar: SELAHATTİN ÖZSAYAN
Danışman: PROF. DR. EMİN KORKUT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemi pervaneleri = Ship propellers

Özet:
Küresel Isınma günümüzde dünyamızı tehdit eden en önemli sorunlardan biridir. Küresel ısınmanın nedenlerinden bir tanesi olan, gemilerden salınan emisyon gazlarının, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından bir takım kural ve düzenlemelerle azaltılması amaçlanmıştır. Gemilerin emisyon gazlarının salınımını ve işletim maliyetlerini azaltmak için sevk veriminin artırılması son derece önemlidir. Gemilerin genel sevk verimi, pervanenin açık su ve gemi arkasında pervane olduğu sevk durumlarında deneysel ve hesaplamalı (HAD) olarak belirlenir. Tam ölçekte bu testlerin yapılması mümkün olmağından, gemiler ve pervaneler belli bir oranda küçültülür, çekme havuzlarında ve kavitasyon tünellerinde testlerinin gerçekleştirilmesi sağlanır.
Sevk veriminin artırılmasında pervane dizaynı son derece önemlidir ve pervanelerin hidrodinamik performansı model deneyinden ve hesaplamalı çalışmalardan (HAD) elde edilen sonuçlara göre belirlenir. Ancak model ve tam ölçek pervane arasında farklı Re sayılarından ötürü akış benzerliği sağlanamaz. Tam ölçekte akış tamamen türbülanslı iken, model ölçeğinde laminar, geçiş bölgesi ve türbülanslı bölge görülür. Bu nedenle, tam ölçek ve model için sonuçlar farklılık gösterir ve bu ölçek etkisi olarak ifade edilir. Bu çalışma kapsamında pervanenin açık su, kavitasyon ve erozyon oluşumu için farklı model ölçeklerinde ve tam ölçekte ölçek etkisi hesaplamalı olarak incelenmiştir. Bölüm 1'de açık su ve kavitasyon oluşumu ölçek etkisi çalışmaları için literatür taramasına yer verilmiştir.
Çalışma kapsamında gerçekleştirilen tüm analizler (açık su, kavitasyon ve erozyon), Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda Bölüm 2'de, HAD yöntemleri, türbülans modellemesi, kavitasyonlu akışı modelleme yöntemleri, kavitasyon modelleri ve kavitasyon erozyonu tahmini yöntemleri için bilgi verilmiştir. Ayrıca çalışma kapsamında kullanılan k-ω SST türbülans modeli için detaylı bilgiye verilmiştir.
Gemi pervanelerinde ölçek kavramına, tam ölçek ve model ölçeği arasındaki hidrodinamik benzerliklere, model ölçeğindeki sonuçların tam ölçeğe taşınmasına ve açık su analizleri için ölçek etkisini hesaplayan farklı yöntemlere Bölüm 3'te yer verilmiştir. Ayrıca açık su çalışmasında, kavitasyon ve erozyon çalışmasında boyutsuz olarak incelenecek parametrelere bu bölümde yer verilmiştir.
Bölüm 4 ile birlikte çalışmanın hesaplamalı kısmına açık su analizleri ile geçilmiştir. Bölüm 4.1'de çalışmada kullanılan DTMB 5415 pervanesinin özelliklerine, 3 farklı ölçek ve tam ölçek için yer verilmiştir. Bölüm 4.2'de hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından bahsedilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda sonuçlar üzerinde çok fazla etkisi olan parametre, oluşturulan ağ örgüsüdür. Sınır tabaka içerisindeki ağ örgüsü, hücre yan oranları, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken özen gösterilmesi gerekli husustur. Bölüm 4.3'te açık su analizleri için tüm ölçeklerde ağ örgüsünün oluşturulma detaylarına ve ağ görünüşlerine yer verilmiştir.
Ölçek etkisi çalışmasında sonuçların ağ yapısından bağımsız olması, düzgün karşılaştırma yapılabilmesi için çok önemlidir. Bu kapsamda itme katsayısı (KT) için 3 farklı ölçekte ve tam ölçekte ağdan bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir ve ağ örgüsünün belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışması Bölüm 4.4'te detaylı olarak incelenmiştir.
Bölüm 4.5'te açık su analizlerinde tüm ölçeklerde incelenen akış koşullarına yer verilmiştir. Açık su analizleri 0.2-0.8 arasındaki ilerleme sayılarında gerçekleştirilmiştir. HAD çalışmasının doğruluğu göstermek amacıyla geçerleme çalışması yapılması önemlidir. Bu kapsamda literatürde açık su deney sonuçları bulunan 173 mm çaptaki model pervanenin geçerleme çalışması Bölüm 4.6'da verilmiştir. Analizler sonucunda elde edilen sonuçlar ve kanat üzerindeki y+ dağılımları Bölüm 4.7'de gösterilmiştir. 
Model ölçeklerinde elde edilen sonuçlar ile tam ölçekten elde edilen sonuçlar Bölüm 4.8'de karşılaştırılmıştır. HAD yöntemleri ve ITTC 1978 yöntemi ile 3 farklı model ölçeği için ölçek etkisi hesaplanmıştır. ITTC 1978 yöntemi ve HAD yöntemi sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlara bakıldığında tüm ölçeklerde, ITTC 1978 yönteminin ölçek etkisini HAD'a göre düşük hesapladığı görülmüştür. Ayrıca HAD yöntemlerinde yüksek ilerleme sayılarında ölçek etkisi artmıştır.
Bölüm 5'te hesaplamalı kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerine geçilmiştir. Hesaplamalı çalışmanın metodolojisinden, hesaplama bölgesinin detaylarından ve sınır koşullarından Bölüm 5.1'de bahsedilmiştir. Açık su analizlerine benzer olarak kavitasyon ve erozyon oluşumu çalışmasında ağ örgüsünün önemi çok daha büyüktür. Hücre yan oranları, sınır tabakada ağ örgüsü, ağın yoğunluğu ve sıklığı ağ örgüsü oluşturulurken dikkat edilmesi gereken noktalardır. Ölçek etkisi çalışmasında farklı ölçeklerdeki yan oranları benzer tutulmuştur. Bölüm 5.2'de tüm ölçeklerdeki ortalama yan oranlara, ağ örgüsü görünüşlerine ve pervane yüzeyindeki ağ örgüsü görünüşüne yer verilmiştir.
Kavitasyon ve erozyon oluşumu analizlerinde incelenen akış koşulları Bölüm 5.3'de verilmiştir. Tüm ölçeklerde 4 farklı durum incelenmiştir. Ayrıca erozyon analizlerinde kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişkiyi incelemek için 3 farklı durumda daha, 246.4 mm çaptaki pervane için analizler gerçekleştirilmiştir.
Ölçek etkisi çalışmalarında çok önemli olan ağdan bağımsızlık analizi Bölüm 5.4'de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sonuçların zaman adımından bağımsız olduğunu göstermek için de çalışma yapılmıştır. İtme katsayısı (KT) ve yüzey kavitasyon alanı için ağdan ve zamandan bağımsızlık çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ağ örgüsünün ve zaman adımının belirsizliği GCI kullanılarak hesaplanmıştır.
Kavitasyon ve erozyon oluşumu için y+ değerlerinin model ölçeklerinde viskoz alt tabakada, tam ölçekte logaritmik tabakada tutulduğu Bölüm 5.5'te pervane yüzeyi üzerinde gösterilmiştir. 
Kavitasyon analizi sonuçlarında itme, tork ve yüzey kavitasyon alanı sonuçları boyutsuzlaştırılarak ölçek etkisi incelenmiştir. Bölüm 5.6'da incelenen 4 farklı durum için sonuçlar karşılaştırılmıştır. İncelenen tüm durumlarda model çapı büyüdükçe yüzey kavitasyon alanının arttığı, tork katsayısının (KQ) azaldığı tespit edilmiştir. İtme katsayısı (KT) ise bir durum hariç artmıştır. Bu bölümde kavitasyon görülme kavitasyon sayısı da model ölçeklerinde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe kavitasyonun daha büyük kavitasyon sayılarında görülmeye başlandığı tespit edilmiştir.
Bölüm 5.7'de ise erozyon tahminleri için ölçek etkisi incelenmiştir. Ölçek etkisi incelenirken pervane kanatlarındaki ortalama erozyon şiddeti değerleri kullanılmıştır ve karşılaştırma yapılabilmesi için bu değerler boyutsuzlaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlardan model boyu büyüdükçe boyutsuz ortalama erozyon gücünün (CEP) azaldığı görülmüştür. 
Kavitasyon sayısı ve erozyon gücü arasındaki ilişki Bölüm 5.8'de incelenmiştir. Bu kısımda da boyutsuz ortalama erozyon gücü (CEP) kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde kavitasyon sayısı azaldıkça CEP değerlerinin başlangıçta arttığı ve maksimuma ulaştığı, daha sonra ise azalmaya başladığı görülmüştür.

Abstract:
Global Warming is one of the most important problems threatening our world today. The International Maritime Organization (IMO) aims to reduce the emission gases emitted from ships, which is one of the causes of global warming, with a number of rules and regulations. It is extremely important to increase the propulsion efficiency in order to reduce the gase of emissions and operating costs of ships. The propulsion efficiency of a ship is based on performance characteristics of a propeller in open water and behind the ship. The propulsive efficiency and propulsion factors are usually  obtained either by open water and self-propulsion tests or numerical calculations (CFD). Since it is not possible to carry out these tests at full scale, ships and propellers are scaled down a certain rate, and tests are carried out in towing tanks and cavitation tunnels.
A proper propeller design is important to obtain high propulsive efficiency and the hydrodynamic performance of the propellers is usually determined by the the model test results or CFD results. As Reynolds numbers similarity between the model and the full scale propeller cannot be satisfied, flow similarity cannot be achieved. While at the full scale the flow is completely turbulent, at the model scale laminar, transitional zone and turbulent zones are observed. For this reason, results for the full scale and model scale differ and this is expressed as scale effect. Within the scope of this study, the scale effect of the propeller for open water, cavitation and erosion formation at different model scales and at full scale are computationally investigated. In Chapter 1, a literature review for scale effect studies of open water and cavitation formation is included.
All of the analyzes (for open water, cavitation and erosion characteristics of the propeller) performed within the scope of the study were carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD). In this context, in Chapter 2, information on CFD methods, turbulence modeling, cavitation flow modeling methods, cavitation models and cavitation erosion estimation methods are given. In addition, detailed information is given for the k-ω SST turbulence model used within the scope of the study. 
Hydrodynamic similarities between the full scale and model scale, extrapolating model scale results to full scale, and different methods for calculating the scale effect for open water analysis are given in Chapter 3. In addition, non-dimensional parameters to be satistified for open water, cavitation and erosion studies are included in this section. Moreover, detailed information is given about the ITTC 1978 procedure used to compare CFD results in open water analysis.
With Chapter 4, the computational part of the study was started with open water analysis. In Section 4.1, the characteristics of the DTMB 5415 propeller used in the study are given for 3 different scales and full scale. In Chapter 4.2, the methodology of the computational work, the details of the computational zone, and the boundary conditions are discussed. In computational studies, mesh has a very important effect on the results. The mesh in the boundary layer, the cell aspect ratio, the density of the mesh are the issues that need to be taken care of when creating the mesh. In Chapter 4.3, the details of the mesh formation and mesh views at all scales are given for open water analysis.
In the scale effect study, it is very important for the results to be independent of the mesh for proper comparison. In this context, the mesh independence study was carried out at 3 different scales and full scale for the thrust coefficient (KT), and the uncertainty of the mesh was calculated using the GCI. The mesh independence study is discussed in detail in Chapter 4.4. 
In Chapter 4.5, flow conditions examined at all scales in open water analyzes are given. Open water analyzes were carried out at advance numbers between 0.2-0.8. It is important to perform a validation study to demonstrate the accuracy of the CFD study. In this context, the validation study of the 173 mm diameter model propeller, which has open water test results in the literature, is given in Chapter 4.6. The results obtained as a result of the analyzes and the y+ distributions on the blade are shown in Chapter 4.7.
Results from the model scales and those from the full scale are compared in Chapter 4.8. The scale effect was calculated for 3 different model scales with CFD methods and ITTC 1978 method. ITTC 1978 method and HAD method results are given comparatively. Considering the results, it was seen that the ITTC 1978 method calculated the scale effect lower than the HAD for all scales. In addition, in CFD methods, the scale effect increased at high advance numbers. 
In Chapter 5, computational cavitation and erosion formation analyzes are introduced. The methodology of the computational work, the details of the computational region, and the boundary conditions are discussed in Chapter 5.1. Similar to open water analysis, the importance of mesh in cavitation and erosion formation studies is much greater. Cell aspect ratios, mesh in the boundary layer, density of the mesh are the points to be considered while creating the mesh. In the scale effect study, the aspect ratios on different scales were kept similar. In Chapter 5.2, the average aspect ratios at all scales, the mesh appearances and the mesh appearance on the propeller surface are given. 
The flow conditions examined in the cavitation and erosion formation analyzes are given in Chapter 5.3. In all scales, 4 different situations were examined. In addition, in order to examine the relationship between cavitation number and erosion power in erosion analyses, analyzes were performed for 246.4 mm diameter propellers in 3 different cases. 
Mesh dependency analysis, which is very important in scale effect studies, was performed in Chapter 5.4. In addition, the study was carried out to show that the results are independent of the time step. Mesh and time dependency studies were carried out for the thrust coefficient (KT) and surface cavitation area. The uncertainty of the mesh and time step was calculated using GCI. 
It is shown in Chapter 5.5 on the propeller surface that the y+ values for cavitation and erosion formation are retained in the viscous sublayer at model scales and in the logarithmic sublayer at full scale.
In the cavitation analysis results, the thrust, torque and surface cavitation area results were nondimensionalized and the scale effect was examined. The results are compared for the 4 different situations examined in Chapter 5.6. In all cases examined, it has been determined that as the model diameter increases, the surface cavitation area increases and the torque coefficient (KQ) decreases. The thrust coefficient (KT) increased, except for Case 1. In this chapter, the cavitation inception has also been examined in the model scales. From the results obtained, it has been determined that as the model size increases, cavitation inception begins to be seen at larger cavitation numbers.
In Chapter 5.7, the scale effect for erosion estimates is examined. While examining the scale effect, the average erosion power values on the propeller blades were used and these values were nondimensionalized for comparison. From the results obtained, it was observed that the dimensionless average erosion power (CEP) decreased as the model size increased. This indicates that the propeller is eroded more than full scale on model scales.
The relationship between cavitation number and erosion power is discussed in Chapter 5.8. When the results were examined, it was seen that as the cavitation number decreased, the CEP values increased at the beginning and reached the maximum, and then started to decrease.