Yüzey kirliliğinin gemi direnci üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of fouling on ship resistance
Yazar: YİĞİT KEMAL DEMİREL
Danışman: PROF. DR. METİN TAYLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemi performansı = Ship performance ; Hidrodinamik = Hydrodynamics ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sürtünme direnci = Friction resistance ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Direnç, doğrudan gemi performansı ve yakıt tüketimini etkilediğinden, gemiler için çok önemli bir olgudur. Direncin fazla olması, bir geminin aynı yolu alması için daha fazla yakıt harcaması anlamına gelmektedir. Bu da verimliliği düşürmekte ve emisyonları artırmaktadır. Dolayısıyla, gemi direncini azaltma konusu gemi mühendisleri ve gemi sahipleri için çözülmesi gereken bir sorun olarak önemini korumaktadır. Özellikle son yıllarda uluslararası kuruluşlar tarafından çevre korunması ile ilgili getirilen kısıtlar, yakıt tüketimini bir başka deyişle, gemi direncini azaltma konusunu daha da önemli bir hale getirmektedir.Gemi direnci temel olarak sürtünme direnci ve artık direnç olarak ikiye ayrılabilir. Özellikle normal ve düşük hızlarda seyreden ticaret gemileri için sürtünme direnci değerleri yaklaşık olarak toplam direncin %60-90'ı kadardır. Dolayısıyla sürtünme direncinin azaltılması, dünya üzerindeki deniz taşımacılığının kapasitesi düşünüldüğünde çok önemli bir konudur.Direncin azaltılması, gemi dizaynının birbirleriyle çelişkili parametreleri arasında bir uzlaşma ile yapılması gerektiğinden bir hayli zordur. Direnci düşürmek adına gemi formunda yapılacak bir değişiklik, geminin stabilite, denizcilik gibi diğer özelliklerini de etkileyeceğinden dolayı, zorlu bir süreçtir. Bu konu ile ilgili çok çeşitli çalışmalar yapılmaktadır.Sürtünme direncinin azaltılması için uygulanabilecek en etkin yol, tekne yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi çalışmalarıdır. Yüzeyin iyileştirilmesi, tekne yüzeyinde pürüzlülüğe yol açan fiziksel ve biyolojik pürüzlülük etkilerinin azaltılması anlamına gelmektedir. Fiziksel pürüzlülük özellikle geminin inşaası aşamasında alınacak tedbirlerle kolayca önlenebilmektedir. Fakat fouling'in, bir başka deyişle yüzey kirliliğinin, önlenmesi veya azaltılması bu kadar kolay değildir. Çünkü fouling gemi denizdeyken oluşur ve birçok etmene bağlıdır. Geminin denizde geçirdiği gün sayısı arttıkça fouling miktarı da artmakta ve böylece yüzey özellikleri bozulan geminin direnç değerleri çarpıcı biçimde artmaktadır.Fouling'in önlenmesi veya azaltılması için kullanılan en etkili yöntem antifouling boyalardır. Bu boyalar çok çeşitli olup, salgıladıkları biyositlerle ve yüzey özellikleri sayesinde deniz canlılarının gemi yüzeyine yapışıp büyümesini engellemekte veya azaltmaktadır. TBT içeren antifouling boyalar hem düşük başlangıç pürüzlülük değerleri, hem etkili antifouling özellikleri hem de uzun süre bakım gerekmeden kullanılabilmesi sayesinde uzun yıllar boyunca tercih edilmişlerdir. Fakat yapılan araştırmalar sonucu TBT'nin deniz ortamında birçok olumsuz etkisi olduğu saptanmıştır. Dolayısıyla, IMO 1 Ocak 2003'den itibaren TBT bileşiklerinin yeni uygulamalarını, 1 Ocak 2008'den itibaren ise TBT içeren antifouling sistem bulundurulmasını yasaklamıştır.2000'li yıllarda çevre dostu antifouling boya alternatifleri üzerine araştırmalar hızlı bir şekilde başlamış ve halen devam etmektedir. Bu süre zarfında çeşitli alternatifler bulunmuştur. Bu boyalar fouling ile mücadelede TBT içerikli boyalar kadar etkin olmasa da daha çevreci özellikleriyle ön plana çıkmaktadırlar. Fakat halen arzu edilen özellikleri taşıyan bir antifouling boyanın bulunduğu söylenemez. Geleceğin antifouling boyası düşük başlangıç sürtünmesine sahip, bir sonraki havuzlama operasyonuna kadar uzun süreli fouling önleme kabiliyetine sahip ve aynı zamanda toksik bileşikler içermeyen özellikte olmalıdır. Bu tür özellikleri içeren yeni boya uygulamalarının bulunması içinse, özellikle fouling olayının ve antifouling boyaların gemi direnci üzerine etki mekanizmalarının tam olarak anlaşılması gerekmektedir.Bu nedenle, bu çalışmada fouling'in ve antifouling boyaların gemi direnci üzerine etkileri araştırılmış, etki mekanizmaları üzerinde durulmuş, yapılan çalışmalar ve kabuller incelenerek, bu çalışmalar ışığı altında, hesaplamalı akışkanlar dinamiği temelli bir yazılım (STAR-CCM+) kullanılarak sayısal bir araştırma yapılmıştır. Öncelikle fouling ve bununla mücadele yöntemleri tanıtılmış, bu yöntemler arasında en etkili olan antifouling boyalar üzerinde detaylı şekilde durulmuştur. Bu boyalar ile ilgili oluşturulan yasal düzenlemelere de değinilmiştir.3. Bölümde genel gemi direnci teorisine değinilmiş, gemi direnci bileşenlerinden konu ile ilgili olan sürtünme direnci üzerinde durulmuş ve gemi sürtünme direnci ile ilgili yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Ayrıca gemi direnci tahmin yöntemleri tanıtılmış, bu yöntemlerden özellikle model deneyleri ve bu çalışmada kullanılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi üzerinde durulmuştur. Böylece bu tez kapsamında yapılan uygulamanın dayandığı temeller incelenmiştir.Bir sonraki bölümde, fouling'in ve antifouling boyaların direnç üzerine etkileri incelenmiştir. Bu noktada fouling'in yüzey pürüzlülüğü olarak modellenmesine karar verilmiştir. Yüzey pürüzlülüğü ile ilgili genel bilgiler ve uygulamada kullanılan pürüzlülük parametresi tanıtılmıştır. Yine fouling'in, yani pürüzlülüğün direnç üzerine etkilerini anlayabilmek için türbülans sınır tabaka kavramı irdelenmiştir. Türbülans sınır tabakanın özellikleri ve bölgeleri ayrıntılı olarak irdelenmiş, sonrasında ise pürüzlülüğün sınır tabaka üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu bölümde elde edilen bilgiler uygulama bölümünde çok önemli bir yer teşkil etmektedir. Sonrasında, fouling'in ve antifouling boyaların direnç üzerine etkilerini inceleyen çalışmalar üzerinde durulmuş, özellikle bu etkileri araştırmak için yapılan deneyler incelenmiştir.Uygulama bölümünde STAR-CCM+ kullanılarak, düz bir plakanın deney havuzundaki çekme deneylerinin modellenmesi amaçlanmıştır. Bunun için öncelikle STAR-CCM+ programı ve özellikleri tanıtılmış, ardından da uygulamada yapılan kabuller açıklanmıştır. Daha sonra, adım adım uygulamanın nasıl yapıldığı anlatılmıştır. Öncelikle programın ve modelin doğrulanması için programın verdiği sonuçlarla literatürde bulunan deney sonuçları karşılaştırılmış ve sonuçların tutarlı olduğu görülmüştür. Doğrulama sonrasında parametrik bir çalışma yapılmış ve farklı yüzey durumları için bu plakanın sürtünme direnci ve sürtünme direnç katsayısı değerleri bulunmuştur. Daha sonra ise NSTM'de belirtilen her bir fouling durumu için sürtünme direnci, sürtünme direnç katsayısı ve plaka üzerindeki yerel akış hızları bulunmuş, sürtünme direnç katsayısının bu fouling durumlarındaki değişimi yüzde olarak verilmiştir. Böylece, temel bir örnek üzerinden programın uygulaması gösterilmiş ve fouling'in nasıl modelleneceği üzerine çeşitli bilgiler verilmiştir.Son bölümde ise bu tez kapsamında elde edilen genel sonuçlardan bahsedilmiş, genel bir değerlendirme yapılmış ve ileride yapılması gereken çalışmalarla ilgili önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Resistance is of great importance to ships since it affects ship performance and fuel consumption. The more resistance a ship has, the more fuel it consumes for the same range. This decreases the efficiency thus increases emissions. Therefore reducing the ship resistance is an aim to reach for both naval architects and ship owners. Especially in the last decades it becomes more important to reduce the fuel consumptions because of the restrictions and regulations entered into force by the international organisations about environmental issues.Ship resistance can be broken into two parts; frictional resistance and residuary resistance. Especially for merchant ships which sail with normal or low velocity, frictional resistance can be 60-90% of the total resistance. Therefore reducing the ship frictional resistance is very important considering the volume of world trade by sea.Ship design is a very difficult procedure since it is a compromise among the conflicting parameters. Reduction in ship resistance can be achieved by changing the design parameters. Nevertheless, changing a parameter to reduce the resistance may affect other properties of a ship such as stability or seakeeping.The best way of reducing the frictional resistance is the treatment of hull surface in terms of improving surface condition due to physical and biological roughness. Physical roughness can be avoided or minimised by taking measures during the shipbuilding procedure easily. On the other hand, it is not easy to avoid fouling (biological roughness) since it occurs immediately as soon as a ship immerses, continues on her seaway and it depends on various parameters such as time spent in sea, surface condition, the salinity of the sea, etc... With ascending immersion time, the amount of fouling raises; ultimately, the frictional resistance increases dramatically.The most effective way to avoid or minimise fouling is antifouling coatings. There are variety of types of antifouling coatings which prevent the settlement and growth of the marine species on the hull by means of releasing biocides or its own surface properties. The antifouling coatings containing TBT were highly preferred for years since they have low initial roughness and perfect antifouling properties, besides they do not need dry docking for a long time. However the research showed that TBT has a lot of negative effects on the environment. Hence IMO banned the applications of antifouling paints containing TBT by 2003 and the presence of TBT on ships by 2008.The research on environmentally friendly antifouling coatings has been accelerated in 2000?s due to this legislation and some alternatives have already been found. Although they are not as effective as TBT containing coatings, they are more environmentally friendly than conventional TBT containing coatings. Nevertheless, the desired antifouling coating has not been developed yet. The future antifouling coating must have initial frictional resistance, long term antifouling ability and no toxic compounds.The effect of fouling and antifouling coatings on ship resistance should be studied and understood in details to develop such a paint system. Therefore, in this study, the effect of fouling and antifouling coatings on ship resistance was investigated, the previous studies and assumptions were investigated and some numerical applications were carried out by means of a CFD software (STAR-CCM+).In the introduction part, the aim of this research was mentioned and literature review and some important studies were presented.In Chapter 2, firstly fouling was introduced, fouling mechanism and fouling stages were revealed. Then prevention methods, strategies and history were addressed. Afterwards, antifouling methods were introduced briefly and antifouling coating types were mentioned in details as the most effective way of fouling prevention method. It is clearly seen that TBT containing coatings were the leading coating type because of its perfect antifouling properties. On the other hand it has negative effects on non-target living organisms, even on human by food chain. The legislations about these coatings were also introduced and the effect of legislation was addressed clearly.In Chapter 3, ship resistance theory was mentioned, the details of ship resistance and the frictional resistance were explained in details, and furthermore, the studies on frictional resistance were examined. Two dimensional and three dimensional frictional resistance formulations and their developments were revealed clearly. It should be noted that frictional resistance is induced by the frictional forces around hull therefore the surface condition of a hull is the predominant factor which affects the frictional resistance.The towing test conferences have been held for years to share the knowledge between naval architects and create some standards for the most effective ship resistance prediction method; namely towing tests and the applications. Hence, the history of these conferences and some remarkable results from these conferences were introduced briefly. Afterwards, ship resistance prediction methods were presented and compared with each other; especially model tests and CFD methods were expressed in details. Therefore, the fundamentals of the method used in the application part were introduced. No doubt model towing test is the most successful and widespread method to determine the resistance of a ship accurately, however CFD methods and computing capability have been improved as the most promising method to determine the ship resistance in the future. CFD softwares and methods can accelerate the preliminary design procedure and decrease the time spent in design spiral. Hence, extensive research has been devoted to CFD methods for decades.In the chapter, fundamentals of CFD were introduced comprehensively. Besides, flow models used and governing equations to be solved in analysis procedure was revealed.In the next chapter the effect of fouling and antifouling coatings on ship resistance was investigated. At this point, it was decided to model fouling as surface roughness. Therefore, general information about roughness was given and the related roughness measurement parameters were introduced. The roughness parameter used in the application; namely equivalent sand roughness height, was introduced briefly, also a range of representative fouling and antifouling conditions and the corresponding equivalent sand roughness height values were given.Furthermore, turbulent boundary layer and its properties were revealed since the flow around a hull is generally turbulent. The regions of turbulent boundary layer were defined and the laws in the turbulent boundary layer were presented. Moreover, the velocity profiles and formulations were invesitgated in each region. The effect of roughness on turbulent boundary layer was demonstrated. The findings of this part are very important for the application part since the modelling procedure and analysis were carried out tahnks to the knowledge based on these findings.It is seen that, in case of a rough surface, significant reduction occurs in the logarithmic velocity profile while the velocity profile in the outer region remains the same. Thus it can be said that the outer region of the turbulent boundary layer is not affected by surface roughness; in other words, the velocity profile in the outer region is independent from surface roughness.Afterwards, the studies carried out to investigate the effect of roughness, fouling and antifouling on ship resistance were given; especially the experiments were studied in more details. It should be noted that the towing tests of flat plates were used by various researchers to investigate this effect.In the application part, it is aimed to conduct towing test simulations of a flat plate by means of STAR-CCM+. Firstly STAR-CCM+ and its features were introduced and the assumptions made in the application were clarified. It is obvious that some assupmtions must be made to model a physical phenomenon and these assumptions must satisfy and match the fundamentals of the phenomenon. For this reason, the basic fundamentals and the physics of the phenomenon must be understood very well before using any software.The application procedure was explained step by step. Firstly, the pre-processing was achieved. It includes preparation of the geometry, defining the computational zone; generating meshes and cells, etc. Different types of surface and volume mesh properties were introduced and the selected mesh types were introduced with the selection reasons.Then, computation procedure including the selection of the appropriate mathematical and physical models, numerical algorithms and boundary conditions for the analysis were revealed. It should be noted that although this phenomenon is unsteady, because of the fact that there is no free surface in the model and the same velocity is kept in the simulation, steady model was chosen. It does not affect the solution or accuracy because of the aforementioned reason, also it provides a faster analysis.In the validation procedure, a towing test simulation of a flat plate, which has smooth and rough surfaces, similar to those given in literature, was conducted. The results were compared with the experiment results given in literature in order to validate the software and the model. It is clearly seen that there is consistency between these results.After the validation procedure, a parametric study was carried out hence frictional resistance and frictional drag coefficient variations depending on the roughness conditions were found. This procedure was carried out for 16 different equivalent sand roughness heights.Afterwards, frictional resistance, frictional drag coefficient and local flow velocity values on the flat plate were demonstrated for a range of representative coating and fouling conditions based on NSTM, also the increase in frictional drag coefficient for each specific condition were demonstrated in a comperative manner.In the final chapter, the results obtained from the study were discussed and a general assessment was done. Also, further studies for the future were recommended.