Yiv uygulamasının düz levha üzerinde sürtünme direncine olan etkisinin incelenmesi
The investigation of the riblet application on the flat plate impact on the friction resistance
Yazar: OZAN KAPLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Direnç kuvveti, birçok alanda, özellikle de mühendislik uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Yüzen cisimlerdeki toplam direnci, en temel olarak, viskoz basınç direnci, yüzey sürtünme direnci ve dalga direnci bileşenleri oluştururken, batmış cisimler üzerinde dalga direnci mevcut değildir. Her iki durumda da yüzey sürtünme direncinin toplam dirence katkısı oldukça büyüktür. Bu sebeple, literatürde yüzey sürtünme direncinin azaltılması ile ilgili aktif ve pasif yöntemlere sıkça rastlanmaktadır. Yüzeye ince yivler açılması vasıtasıyla sürtünme direncinin azaltılmasının etkin pasif yöntemler arasında gösterilmesi mümkündür.
Bu çalışmada, temel yiv ve geometrileri ele alınarak düz levha üzerine uygulanan farklı yiv konfigürasyonları sistematik olarak hesaplamalı yöntemlerle incelenmiştir. Bu konfigürasyonlar arasından literatürde en fazla incelenen V, U, bıçak ağzı ve ikizkenar yamuk şeklindeki yiv uygulamaları ele alınmıştır.
Yapılan çalışma Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacim metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modelinden detaylı olarak bahsedilmiştir.
Çalışmadaki asıl amaç yüzeye kontrollü yiv uygulaması ile sürtünme direncinin azaltılmasıdır. Bunun için yiv ile ilgili temel akış parametreleri ele alınarak sistematik bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çalışması yapılmış, düz levha ile yapılan karşılaştırma sonucunda en etkin yiv uygulamasının belirlenmesi amaçlanmıştır.
Literatürde, Walsh (1982), Bechert ve diğ. (1997) ve Choi (1989)'nin yapmış olduğu deneysel çalışmalarda etkili yiv konfigürasyonlarında s+ değer aralığının yaklaşık 5 ile 30 arasında olduğu tespit edilmiştir. Buna göre uygun hız değerinin 5 m/s civarında olduğu belirlenmiş ve hesaplamalı çalışmalarda sırasıyla 3, 5 ve 8 m/s serbest akım hızları kullanılmıştır. Belirlenen bu hızlarda, ilk olarak h/s oran parametresi esas alınarak dört farklı yiv uygulaması ile düz levhaya ait direnç kuvveti değerleri arasında karşılaştırma yapılmıştır.
İlk olarak düz levha üzerinde farklı serbest akım hızlarında (3, 5 ve 8 m/s) direnç kuvveti (RF), toplam sürtünme direnç katsayısı (CF) ve yerel sürtünme direnç katsayısı (Cf) parametrelerine ait değerler incelenmiştir. CF değeri, Karman-Schoenherr'e göre incelenmiş ve bu inceleme sonucunda yiv uygulamalarına ait CF değerleriyle yapılacak olan karşılaştırmada kullanılacak referans CF değeri belirlenmiştir. Cf değeri için ise, levha üzerinde x yönünde belirlenen üç farklı noktada (x=0.65, 0.70 ve 0.90) Clauser'e göre yer değiştirme kalınlığına bağlı olarak ve Coles'a göre momentum kalınlığına bağlı olarak incelemeler yapılmış ve bu inceleme sonucunda, hesaplamalı çalışmadan elde edilen Cf değerlerinin ele alınan Reδ1 aralığında Clauser eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 1 duyarlılıkla uyum sağladığı, ele alınan Reϴ aralığında ise Coles eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 3 duyarlılıkla uyum sağladığı görülmüştür. Bundan sonraki adımda, pasif direnç azaltıcı yöntemlerden yiv uygulamasına ait inceleme yapılacak parametreler belirlenmiştir (hız değeri, yiv yüksekliği (h), yiv yüksekliğinin yiv aralığına oranı (h/s) ve boyutsuz parametre olan s+). Belirlenen bu parametreler çerçevesinde ilk olarak h/s=0.5'te üç farklı serbest akım hızında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile aynı hızlarda düz levhaya ait RF değerleri incelendiğinde yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı tespit edilmiştir. Aynı hesaplamalı çalışma h/s=1 için de gerçekleştirilmiş ve bu değerde de yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı görülmüştür. Yapılan bu tespitlerden sonra, bundan sonraki adımlarda V şeklindeki yiv uygulaması üzerinden yapılan incelemeler detaylandırılmıştır. Çizelgeler halinde verilmiş olan V şeklindeki yiv uygulamasına ait farklı serbest akım hızlarında ve farklı h/s oranlarında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile düz levhaya ait RF değerleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, aynı h/s oranında, 3, 5 ve 8 m/s'deki yiv uygulamalarına ait direnç kuvveti (RF) değerleri ile aynı hızlarda düz levha üzerindeki direnç kuvveti (RF) değerlerinin karşılaştırılması sonucunda yaklaşık olarak en fazla direnç kuvveti düşüşü V şeklindeki yiv uygulamasında, en az direnç kuvveti düşüşü ise bıçak ağzı şeklindeki yiv uygulamasında görülmüştür. Aynı h/s ve hız değerlerine ait veriler incelendiğinde ise s+ değerinin artması ile yaklaşık olarak direnç kuvveti düşüşünün de arttığı tespit edilmiştir. Farklı h ve s değerinde, fakat aynı h/s oranına sahip (Örneğin, 1- h=0.01875 ve s=0.0375, h/s=0.5 2- h=0.05 ve s=0.1, h/s=0.5) ve aynı hızlardaki verilerin incelenmesi neticesinde, s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüşünün azaldığı görülmüştür. Aynı h ve s değerlerine sahip, farklı serbest akım hızlarındaki yiv uygulamalarında ise (Örneğin, 1- h=0.1 ve s=0.1, hız=3 m/s, 2- h=0.1 ve s=0.1, hız 5 m/s) hız değerinin ve buna bağlı olarak s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüş değerinin arttığı gözlemlenmiştir.
Düz levha ile V ve BA yiv uygulamalarına ait girdaplılık ve türbülans kinetik enerjilerine ait dağılımların incelenmesi neticesinde, düz levha ile V ve BA yiv uygulamaları arasında ciddi farklılıkların olduğu gözlemlenmiştir. Düz levhada duvar cidarındaki girdaplılık dağılımının yiv uygulaması ile duvar cidarından uzaklaştığı ve yiv tepe noktalarında yoğunlaştığı görülmüştür. V ve BA yiv uygulamalarının tepe noktalarındaki girdaplılık dağılımına ait karşılaştırmada ise, BA yivdeki dağılımın V yivdeki dağılıma göre daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Düz levha ile V ve BA yive ait türbülans kinetik enerjileri dağılımına ait karşılaştırma neticesinde, türbülans kinetik enerjinin yiv uygulamalarında düz levhaya göre daha az seviyede olduğu tespit edilmiştir. Özellikle V yivde türbülans kinetik enerjinin en az seviyeye indirgendiği görülmüştür.

Abstract:
Resistance force, in many areas especially in engineering applications, has an important place. The total resistance of floating bodies, the most basic, involves in the components of the viscous pressure resistance, skin friction resistance and wave resistance, but on the sinking bodies the wave resistance is not involved. In both cases, the contribution to the total resistance of the skin friction resistance is quite large. Therefore, it is common to the active and passive method for reducing the skin friction resistance in the literature. Investigating the reduction of skin friction by opening thin riblets through the effective passive methods are possible. 
In this study, dealing with the riblets and their geometries different riblet configurations which are applied on the flat plate are systematically studied by computational methods. Through these configurations the riblet applications which are the most studied in the literature are V, U, blade and trapezoidal riblets. Furthermore, the boundary layer thickness, the displacement thickness and the momentum thickness are explained because of the investigation of the total friction coefficient (CF) on the flat plate. After that, the explanations for the V, U, blade and trapezoidal riblet applications are given. There are a lot of experimental studies on the riblet applications: V, U, blade and trapezoidal which are the most common. In all these experimental studies the drag reduction is identified. The highest drag reduction percentage is approximately % 10 on blade riblet application and on V riblet application the drag reduction percentage is approximately % 6-8.
The studies were carried out with the method of Computational Fluid Dynamics (CFD). Theoretical background on Computational Fluid Dynamics was given with its historical progress. Besides, detailed information is given about incompressible Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) based two equation eddy viscosity SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model and pressure velocity relation algorithm for steady flow is taken SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure--Linked Equations) algorithm which denotes pressure-velocity relation for steady flows that are chosen by this thesis. Moreover, Law of the Wall is briefly explained. In this study, dimensionless distance from the wall y+ values is attempted lower than 5. Since, the flow separation is investigated properly with y+<5 the viscous sublayer region.
The main purpose of this study is to reduce the skin friction resistance as controlled riblet application on the surface. Because of this purpose systematic Computational Fluid Dynamics (CFD) is executed by taking basic fluid parameters about the riblets and determining the most effective riblet application has been purposed as a result of the comparison between the flat plate and the riblet applications.
In the literature, as a result of the experimental studies that Walsh (1982), Bechert et al. (1997) and Choi (1989) achieved the value range of the s+ is obtained as approximately 5-30. Accordingly, the appropriate streamwise flow speed is determined as approximately 5 m/s and in the computational study the streamwise flow speed 3, 5 and 8 m/s is used respectively. Determined at these streamwise flow speeds, first of all, the comparison on the drag reduction force has been made between the flat plate and the four different riblet applications whose names are V, U, blade and trapezoidal riblet applications as based on h/s ratio parameter.
First of all, in different streamwise flow speed (3, 5 and 8 m/s) on a flat plate the value of the resistance force (RF), the total friction coefficient (CF) and the local friction coefficient (Cf) parameters have examined. CF value was examined by Karman-Schoenherr and at the end of this examination the reference CF is set which is used for the comparison between the CF of the riblet applications and the flat plate. For the Cf value determined at three different points on the flat plate in the x-direction (x=0.65, 0.70 and 0.90) by Clauser depending on the displacement thickness and by Coles depending on the momentum thickness the investigations has been conducted and at the end of these investigations, it is observed that the Cf value obtained from the computational study are approximately ± % 1 adapt to sensitivity with the Clauser curve and ± % 3 adapt to sensitivity with the Coles curve. In the next step, the parameters of the riblet application the passive drag reduction method were determined (speed value, the riblet height (h), the ratio of the riblet height and the riblet spacing (h/s) and the dimensionless parameter s+). In the frame determined by this parameters, first of all, when compared with the value of RF that at the end of the computational study obtained by examining at h/s=0.5 with the values of three different streamwise flow speed and the flat plate at the same streamwise flow speed approximately the maximum resistance drop was seen on the V-groove riblet application and the minimum resistance drop is seen on the blade riblet application. The same result is as seen at h/s=1 for the same application. After this determination, for the next steps the examinations were detailed on the V-groove riblet applications. The charts in different free flow of groove practice of V is given as speed and different h/s ratio in computational held working the resultant RF values in the flat plate with the results of RF values were compared. According to this evaluation, in value of the same h (mm) and s (mm) when compared with the value of RF at the streamwise flow speed of 3, 5 and 8 m/s and the flat plate at the same streamwise flow speed approximately the maximum resistance drop was seen on the V-groove riblet application and the minimum resistance drop was seen on the blade riblet application. If the values of the same h, s and speed is examined when the value of s+ increases approximately the value of drag reduction force also increases. At different h and s values, but the same h/s ratio values (for example, 1) h=0.01875 and s=0.0375, h/s=0.5 2) h=0.05 and s=0.1, h/s=0.5) and the same streamwise flow speed if the values are examined it is obtained that when s+ value increases drag reduction force decreases. On riblet applications that has the same value of h and s, but the different streamwise flow speed it is obtained when the different streamwise flow speed increases, consequently s+ increases the drag reduction force also increases.
In the examination of the results for the distribution of the vorticity and the turbulence kinetic energy of flat plate with the V riblet application and the blade riblet application, significant differences have been observed between the flate plate and the V and blade riblet application. It is observed that on flat plate the vorticity distribution on near-wall is diverged from the near-wall with the riblet application and concentrated on the peak value of the riblet. 
When the vorticity distribution of the V riblet application and the blade riblet application is compared, it is observed that the distribution on the peak value of the blade riblet application is much more than the peak value of the V riblet application. In the examination of the results for the distribution of the turbulence kinetic energy of flat plate with the V riblet application and the blade riblet application, the turbulence kinetic energy in the riblet application has been found to be less efficiency than the flat plate.