Gemi toplam direncinin Telfer ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile hesaplanması
Computation of ship resistance by Telfer's method and computational fluid dynamics
Yazar: UĞUR CAN
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR BAL
İstanbul 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, 2019
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Gemi direnci hesaplamalarında çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan başlıca yöntemler; Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) uygulamaları, deneysel, sayısal ve istatistiksel yöntemlerdir. Hesaplamalar, geminin farklı hızlarında ve tasarımla ilgili iyileştirmelerin gerçekleştirilmesi ile bir optimum noktada yapılmalıdır. Dolayısıyla direnç hesaplamalarında uygulanacak yöntem sistematik olmalı ve çok tekrarlı bir uygulamaya müsait olmalıdır. Deneysel yöntemler, sistematik ve çok tekrarlı bir şekilde uygulama gerektiren çalışmalarda yüksek maliyetlere sebep olmaktadır. Özellikle toplam direnç açısından form optimizasyonu yapılan çalışmalarda deneysel yöntemlerin uygulanması durumunda elde edilen her yeni tasarım baştan sona yeni bir deney sürecini kapsayacaktır ve her bir deneyde yeni bir model gemi ihtiyacı doğacaktır. Bahsedilen sebeplerden ötürü gemi direncinde HAD yöntemi yaygın şekilde uygulanmaktadır.
HAD ve deneysel yöntem ile gemi direnci hesaplamaları genellikle gemi ile geometrik benzer olan ve daha önceden belirlenmiş geometrik benzerlik oranı (λ) ölçeğinde küçültülmüş bir model için gerçekleştirilir. Deneysel çalışmalarda bu yöntemin izlenmesi bir zorunluluktur. Çünkü gemi toplam direncinin, seyir hızını sağlayacak ana makine gücü ve pervane karakteristiklerinin belirlenebilmesi için henüz tasarım aşamasında bilinmesi gerekir. HAD yönteminde ise gerçek gemiye ait toplam direncin hesaplanması bilgisayar teknolojilerinin ilerlemesi sayesinde mümkün olabilmiştir. Fakat günümüzde hala HAD ile gerçek gemi toplam direncinin hesaplanması, yüksek hesaplama gücü ve uzun zaman gerektirdiği için yaygın şekilde uygulanmaz. Sonuç olarak, gemi direnci hesaplamalarında deneysel yöntemler ve HAD yöntemleri model gemiler için gerçekleştirilmektedir.
Model gemi için yapılan hesaplamalar ile elde edilen direnç değerleri ile gerçek gemiye ait direnç değerleri geometrik benzerlik oranı ile orantılıdır. Model gemi için elde edilen toplam direnç, bileşenlerine ayrılır ve model gemi ile gerçek gemi arasında direnç benzerliği sayesinde gemiye ait ilgili direnç bileşeni elde edilir. Gerçek gemiye ait diğer direnç bileşenleri de hesaplanır ve tüm direnç bileşenleri toplanarak gemi toplam direnci elde edilir. Anlatılan yöntem gemi direnç hesaplamalarında en yaygın şekilde kullanılan 3 yöntem olan ITTC 1957, Hughes-Prohaska ve ITTC 1978 yöntemlerinin tamamında aynı şekilde uygulanmaktadır.
Gemi direnç hesaplamaları için çok önce geliştirilmiş bir başka yöntem ise Telfer yöntemidir. Telfer yöntemi ile geometrik ve dinamik benzerliğe sahip farklı ölçek boyutlarındaki model gemiler için toplam direnç katsayıları elde edilir. Bütün modellerin Froude (Fr) sayıları aynı iken Reynolds (Re) sayıları farklıdır ve Re sayısına karşılık olarak elde edilen toplam direnç katsayıları ile bir grafik oluşturulur. Ardından gerçek gemi direnci basit bir ekstrapolasyon yoluyla elde edilir. Telfer yöntemini diğer yöntemlerden ayıran özellik toplam direnci bileşenlerine ayırma işlemi olmaksızın toplam gemi direncinin hesaplanabiliyor olmasıdır. Gemi direnci için geliştirilen yöntemler arasında Telfer yönteminin daha hassas sonuçlar veren bir yöntem olduğu bilinmekte ve literatürde açıkça belirtilmektedir. Ancak bu yöntem, farklı ölçeklerde model imalatına ve model deneyleri yapılmasına ihtiyaç duyduğundan deneysel olarak pahalı bir yol olmuştur. Bu çalışmada toplam gemi direncinin, bileşenlerine ayrılmaksızın hassas bir şekilde hesaplanabildiği bir yöntemin elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, Telfer yöntemi revize edilmiş ve HAD yardımıyla uygulanmıştır. Ayrıca, revize Telfer yönteminin, toplam direnç dışındaki faktörleri hesaplama kabiliyeti incelenmiş ve yöntem ile ortalama nominal iz değerleri ekstrapole edilmiştir.
Direnç hesaplamaları hesaplamalı gemi hidrodinamiği konusunda sıklıkla kullanılan referans tekne formlarından biri olan Duisburg Test Case (DTC) teknesi için yapılmıştır. HAD analizlerinden elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Geometrik ve kısmi dinamik benzerlik sağlanarak oluşturulmuş olan modeller için toplam direnç katsayıları elde edilmiştir. Farklı ölçeklerdeki modeller için elde edilen toplam direnç değerleri üzerinden gemi toplam direnci ekstrapolasyon ile hesaplanmıştır ve sonuçlar gemi direnci hesaplamalarında yaygın olarak kabul görmüş olan diğer yöntemler ile kıyaslanmıştır.

Abstract:
There are several methods for ship resistance calculations. Mainly used of them are Computational Fluid Dynamics (CFD) applications, experimental, numerical and statistical methods. Calculations are made for different velocitites to obtain various sea and ship conditions and different design cases to get optimum hydrodynamic form. Therefore ship resistance calculation method should be suitable for systematic and repetitive applications. Experimental methods are not cost effective such as systematic and repetitive applications. Especially at the studies about hull form optimization and minimization of total resistance if experimental methods are used, each design iteration means a new experiment stage and at each of the experiment it is required a new model hull. Due to stated reasons, CFD method are used for ship resistance calculations commonly.
Generally ship resistance calculations with CFD and experimental methods are applied to a model hull which has a geometric similarity ratio (λ) for scaling. Usage a model hull is a necessity at the experimental studies, because ship resistance should known at the design stage. Otherwise it is not possible to determine main engine power capacity and propeller characteristics. It has been possible to calculate total resistance for ships with the developing computer technologies. However nowadays calculating ship total resistance with CFD requires high calculation capacity and long time. As a result of that CFD and experimental methods are applied to a model hull in the ship resistance studies yet.
Model hull resistance force is in proportion ship resistance depending geometric similarity ratio. Model hull resistance separated into resistance components and corresponding resistance component is calculated for ship through resistance similarity between ship and model. Other resistance components calculated for ship and each component summed up to get ship total resistance. Stated method is applied in the same way for three common methods: ITTC 1957, Hughes-Prohaska and ITTC 1978.
Another older method is Telfer's GEOSIM method for ship resistance problems. Total resistance coefficients are obtained for different scaled models. These models have geometric and partial dynamic similarities. All the models have same Froude and different Reynolds numbers (Re). Results are plotted with Reynolds numbers and total resistance coefficients. After that ship resistance obtained by use of a simple extrapolation. Unlike the other methods in the Telfer method, total ship resistance is not separated to the resistance components. It is known the Telfer method is the most successful method to predict the ship resistance by literature. However, this method is expensive in experimental studies because it has required different scaled models and multiple model tests. In this study, it is aimed that calculating ship total resistance sensitively without separate total resistance to resistance components. In accordance with this purpose Telfer method is modified and applied with CFD. Resistance calculations are made for a benchmark hull geometry which using commonly in computational ship hydrodynamics studies by name Duisburg Test Case (DTC). The results obtained from CFD validated with the experimental results. Total resistance coefficients are obtained for models which have geometric and partial dynamic similarities. Ship total resistance is calculated by extrapolation through total resistance coefficients of different scaled models. In this way, ship total resistance is calculated by extrapolation without separate model total resistance values to resistance components and the results is compared with the other commonly accepted methods in the ship resistance topic. Compared methods are ITTC 1978, Telfer's GEOSIM and modified Telfer.
CFD computations are made for six different scaled models and total resistance coefficients are obtained for these models. ITTC 1978 method requires only one total resistance coefficient of a scaled model. Method can extrapolate results from model scale to ship scale with only one model result. This method applied one by one from the three model which has maximum scale factor and minimum model length. The results are in a good agreement and closed to each other, so comparison is made for only the model has minimum model length.
Telfer's GEOSIM method was applied with two model resistance coefficients and the results were placed in the generic equation of Telfer's GEOSIM method. These models were chosen for the widest Reynolds number range. Because in this case the method works properly and gives the most sensitive results. Therefore chosen models are the shortest and largest ones. Equation was solved and coefficients of the equation were obtained for this case. The results were marked in a log (Re) based graph. After that resistance curve was obtained and extrapolation was applied to ship scale.
Modified Telfer method were applied with least three model total resistance coefficients. The results were placed in the generic equation and this equation was solved with curve fitting method. Modified Telfer was applied for two different cases in three models application. Firstly, models were chosen for the narrowest Reynolds number range. The chosen three models are shorter ones. Secondly, models were chosen fort he widest Reynolds number. According to these applications, it has been investigated Reynolds number range effect on modified Telfer method. Expected result is that when Reynolds number range increases, the method estimates total resistance at the ship scale successfully. Then calculations are repeated for five and six models in the same way. At the three and five models applications the largest model did not use to perform modified Telfer generic equation. Results which obtained from modified Telfer compared with CFD results for the largest model. This comparision validates modified Telfer results with CFD and gives an idea about success of method when it is closed to ship scale. For the ship scale, comparision performed with ITTC results because there is not CFD results for full scale. At the six model application each CFD results were used to solve generic equation of modified Telfer method. Thus results from modified Telfer and CFD are in a good agreement. Comparision at the ship scale results is made for modified Telfer and ITTC. The results were marked in a log (Re) based graph for each application and extrapolation to ship scale was performed Results from all applications of modified Telfer are compared with Telfer's GEOSIM and ITTC 1978 methods for each cases. In addition to resistance calculations, nominal wake extrapolation was performed in order to find out applicability of modified Telfer method. The extrapolation was applied in a similar way as in total resistance calculations. In this study, it is aimed to get a method to calculate ship total resistance without separating resistance components. Therefore models should have Froude number similarity and total resistance should be a function of Reynolds number. In line with this purpose, Telfer's GEOSIM method is obtained. Telfer's GEOSIM is a method of stated kind as calculate total resistance without separate to resistance components. Total resistance coefficients were calculated with this method and the method was modified. It it aimed to remove disadvantages of Telfer's GEOSIM and improve the method with modified Telfer.