Sualtı akıntı türbin kanatlarına uygun süperkavitasyon yapan hidrofoil kesitlerinin hidrodinamik performanslarının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of hydrodynamic performance of supercavitating blade sections suitable for marine current turbines
Yazar: VOLKAN ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR BAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Akışkan içerisinde hareket eden bir cismin hızı arttıkça Bernoulli prensibi gereği yerel
basıncı düşer. Eğer bu düşüş, sabit sıcaklıktaki buharlaşma basıncının altına inerse
akışkanın sıvı yapısı bozulmaya başlar ve o bölgelerde sıvı, gaz haline geçer
buharlaşır. Bu duruma kavitasyon adı verilir. Kavitasyon buharlaşmanın, sıcaklık
artırımıyla meydana gelen kavram olan kaynamanın, basıncın düşürülerek yapılması
olayıdır. Bu nedenle soğuk kaynama olarak da adlandırılır.
Bazı durumlarda yerel hızlar o kadar artar ve kavitasyon boyutları o kadar büyür ki,
tüm yüzeyi kaplar ve cisim kavitasyon baloncuğunun içerisinde kalır. Bu durum ise
süperkavitasyon olarak adlandırılır. Süperkavitasyonu özel yapan ise, giriş ucundaki
belirli bir bölge haricinde cisim ile akışkanın ilişkisinin kesilmiş olmasıdır. Yani sıvı
akışkan cisim yüzeyine temas etmez.
Kısmi- ve süper-kavitasyon mühendislik uygulamalarında genel olarak istenmeyen bir
durumdur. Zira sistemin hidrodinamik performansını düşürebilir, cisim üzerinde
zamanla hasara yol açabilir ve gürültüye sebep verebilir. Bu sonuçlarından dolayı
kısmi- ve süper-kavitasyon istenmez.
Süperkavitasyon, kavitasyon olayının artmasından meydana gelir. Süperkavitasyon
durumuna gelmiş bazı hidrofoil kesitlerinde bu durum kaçınılmazdır. Çalışma
şartlarından dolayı bu olaya maruz kalmaktadır.
Sualtı akıntı türbinlerinde, pervane çapları çok büyüktür ve serbest su yüzeyine yakın
çalışabilmektedirler. Pervane çapının büyüklüğü yüksek teğetsel hızlara sebep
olurken, serbest su yüzeyine yakın çalışmak da hidrostatik basınçtan faydalanmaya
engel olur. Bu iki sonuç ise süperkavitasyona bir sebep olabilir.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında, süperkavitasyon yapan hidrofoil kesitlerinin
hidrodinamik performansları incelenmiş ve bazı geometrik ve hidrodinamik
parametrelerin bu performansa etkileri araştırılmıştır. Sayısal analizler için bir sınır
eleman yöntemi (Boundary Element Method-BEM) kullanılmıştır. Süperkavitasyon
yapan hidrofoil üzerine kaynak/kuyu ve dipol dağılımı yapılarak gerekli sınır şartları
sağlanmış ve sistem çözülmüştür. Sualtı akıntı türbinleri için de yöntem uygulanmıştır.
Öncelikle kalınlığın, süperkavitasyon yapan hidrofoil kesitinin hidrodinamik
performansına etkisini incelemek için, kalınlıkları dışında tüm geometrik özellikleri
aynı olan iki hidrofoil NACA 16006 ve 16012 kesitleri seçilmiş ve sayısal analizleri
yapılmıştır.
Süperkavitasyon boyunun hidrodinamik performansa etkisini saptamak için ise 1.1 ve
1.4 l/c süperkavitasyon boyları arasında değerler sabit tutularak hesaplamalar
gerçekleştirilmiş ve karşılaştırılmıştır.
xx
Hidrofoil geometrisinin performansa etkisini incelemek amacıyla ise yaklaşık aynı
maksimum kalınlık oranlarına sahip NACA 0024 ve sualtı akıntı türbin kesitlerinde
kullanılan S-814 hidrofoil kesitleri kullanılmış ve sonuçları karşılaştırılmıştır.
Ayrıca süperkavitasyon yapan hidrofoil kesitleri için iki boyutta ortaya atılmış iki teori
olan lineer ve lineer olmayan teori sonuçları da karşılaştırılmıştır.
Son olarak maksimum sehim oranının etkisi de NACA64A012 hidrofili ile incelenmiş
ve sehimsiz durumla karşılaştırmalar yapılıp sonuçlar elde edilmiştir.
Daha sonra ise pratikte gerçekleştirilmiş bir uygulama için yöntem uygulanmıştır. Elde
edilen sonuçların sualtı akıntı türbin kanat kesitleri tasarımında önemli faydalar
sağlayacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
When a body which travels in liquid medium is accelerated, the local pressure of the
medium is reduce according to Bernoulli principle. Also, if the local pressure drops
below vaporization pressure at this temperature, the composition of liquid flow breaks
down. This condition is called cavitation.
Cavitation that is the appearance of vapor cavities inside a homogeneous liquid
medium occurs under low pressure. Cavitation generally occurs because of the
increment of the local velocities which cause a decrease in the local pressure according
to Bernoulli principle.
Under some conditions, occurrence of cavitation excessively increase, the hydrofoil
(blade section) is engulfed in cavitation bubble. This condition is called
"Supercavitation".
Under supercavity condition, the liquid do not touch the surface of hydrofoil.
Therefore, actual friction and lift of the hydrofoil reduce. This is a fact which make
supercavitation different from cavitation. Reduce of actual friction is positive effect of
supercavitation. However, supercavitation is negative matter in engineering
application because it also reduces the lift.
In some situation, supercavitation can be inevitable issue. For example, in marine
current turbine (MCT), diameter of propeller can be high and they can work close to
the free water surface.
High diameter causes high tangential velocities, and working close to the free water
surface causes obstruct to benefit from hydrostatic pressure. These two reason,
together or sole, make supercavitation to inevitable.
In this study, Boundary element method (BEM) is applied for the solution. The
calculations for BEM are done by a code of supercavitating 2D (two-dimensional)
panel method. This program is based on the potential theory, and it is Dirichlet-type.
The calculations include both linear and non-linear theories and the related solutions.
The supercavity is assumed to be a constant pressure sheet, and it closes at its trailing
edge. It is continuous at the cavity trailing edge.
The cavity detachment point on the suction side of the blade section is assumed to be
known and assumed that the cavity detaches also from the pressure side at the blade
section or blade trailing edge. The solution for two-dimensional blade sections is
assumed to be fixed-length. In the fixed length solution, the cavity length is assumed
to be known and the cavitation number is determined.
xxii
The nonlinear cavity boundary and cavitation number are determined by an iterative
process, in which the dynamic boundary condition is satisfied on successive guesses
of the cavity surface, and the kinematic boundary condition is used to update the
surface. In the beginning of each successive iteration, the panels (elements of the
discretized surface) are moved to their new positions, and the influence coefficients
are recomputed. The iterations continue until both kinematic and dynamic conditions
are satisfied over the computed cavity surface. The first iteration is supercavity surface
of solution of the linear theory.
The flow over the hydrofoils is taken as irrotational, inviscid and incompressible
according to the potential theory. The total and perturbation velocity potentials of flow
around hydrofoil satisfy the Laplace equation. There are boundary conditions that
should be satisfied over the hydrofoil surface.
First it is kinematic boundary condition which means that the flow must be tangential
to the hydrofoil and the cavity surface.
Second, the dynamic boundary condition requires that the pressure on the cavity
surface is constant and equal to vaporization pressure. This condition is satisfied by
moving the hydrofoil geometry so that on the cavity surface the pressure coefficient (-
CP) values are equal to the cavitation number (σ).
The third condition to be satisfied is the supercavity termination condition. This is
satisfied by the end-parabola method which is similar to the cavity height model for
partial cavitation.
Finally, the last boundary condition is the Kutta condition. The Kutta condition means
that velocity must be finite at the trailing edge of the hydrofoil. This condition is
satisfied during source and doublet distribution.
There are five parameters which is investigated to determine effect of performance of
supercavitating hydrofoil section.
First parameter is maximum thickness ratio. To determine effect of maximum
thickness ratio on performance of supercavitating hydrofoil section, NACA 16006 and
16012 sections are chosen and compared. All hydrodynamic and geometric properties
of these two hydrofoil section is same except maximum thickness. This make possible
to determine maximum thickness effect.
On purpose of investigate of effect of supercavitation length on performance, some
calculation is made for supercavitation length between 1.1 and 1.4 l/c. For this
calculation, NACA 16006 and NACA 16012 hydrofoil sections are used. Cavity
number, lift and drag coefficients, cavity volume and shape are found for these
hydrofoil sections at 1.1-1.4 l/c supercavitation length.
In an attempt to find effect of geometric properties on performance of supercavitating
hydrofoil section, NACA 0024 and S-814 which is used in Marine Current Turbines
(MCT) are selected. These two section have approximately same maximum thickness.
On purpose of same reason, NACA 64A012, NACA 16012 and NACA 0012 hydrofoil
sections are selected and compared. These hydrofoil sections have same maximum
thickness ratio but maximum thickness location of these are different.
Also, solutions of linear and non-linear theory are compared. Some calculation is made
and compared among theories. As known well, the nonlinear theory of supercavitating
hydrofoil is linearized by Tulin. This theory had some problem but there is some
correction for it. This linearized theory and non-linear theory are compared. This
calculation is performed for many different combinations.
With the intent of determine effect of maximum camber ratio on performance of
supercavitating hydrofoil section, NACA64A012 hydrofoil section is selected.
Parabolic camber is used. Some calculations are made for with camber and without it.