Çeşitli deniz boyalarında yüzey pürüzlülüğünün gemi direncine etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface roughness on ship resistance due to marine paints
Yazar: UTKU CEM KARABULUT
Danışman: PROF. DR. BARIŞ BARLAS ; DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ HAKAN ÖZDEMİR
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:
Yüzey pürüzlülüğü ve gemi direnci ilişkisi, uzun zamandır araştırmacıların ilgisini çeken bir konudur. Gemiler, denize indirildikleri andan itibaren biyolojik ve kimyasal kirlenmeye maruz kalırlar ve bu kirlenme neticesinde dış kaplamanın yüzey pürüzlülüğü artış gösterir. Bu artışa bağlı olarak gemi direnci ve dolayısı ile yakıt tüketimi de ciddi ölçüde artış gösterir. Bu durumun önüne geçmek amacı ile gemilerin dış kaplamaları sözkonusu kirlenmeyi en aza indiren antifouling boyalar ile boyanır ve gemilerin dış kaplaması periyodik olarak temizlenir veya yeniden boyanır.
Gemilerde kullanılan fosil yakıtların bir sonucu olarak, gemi kaynklı hava kirliliği artış göstermekte, Uluslararası Denizcilik Örgütü hava kirliliğinin önüne geçmek adına yeni kısıtlamalar getirmektedir. Örgüt, sera gazı emisyonlarını düşürmek için yeni inşa edilecek gemilerin maksimum enerji verimliliği ile inşa edilmesini şart koşmaktadır. Bu nedenle, gemi performansının tasarım aşamasında hassas biçimde tahmin edilmesi önem arz etmektedir.
Günümüzde, gemilerde çok çeşitli antifouling deniz boyaları kullanılmaktadır. Her boyanın çeşitli avantaj ve dezavantajları vardır. Herbir boya dış kaplama yüzeyinde farklı pürüz dokusu oluşturur. Bu nedenle herbir boyanın gemi direnci üzerindeki etkisi de farklıdır. Farklı boyaların direnç üzerindeki etkilerinin belilenmesi, tasarım aşamasında geminin hidrodinamik performansının belirlenmesi bakımından kritik öneme sahiptir. Bu nedenle bu çalışmada farklı deniz boyalarının sürtünme direnci üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Türbülanslı sınır tabakalar geleneksel olarak kendi içinde farklı fiziksel özellikler gösteren alt bölgelerden oluşur. Bu bölgeler, iç bölge ve dış bölge olarak iki ana gurupta incelenir. İç bölge kendi içinde viskoz alt tabaka ve logaritmik alt tabaka olarak ikiye ayrılır. Yüzey pürüzlülüğünün akış üzerindeki etkileri, sınır tabakanın iç bölgesinde gösterir ve duvar sınırından uzaklaştıkça pürüz etkileri azalır. 
Tüm pürüz elemanlarının yüksekliği viskoz alt tabakanın içinde yer aldığında ortalama akış özellikleri üzerinde bir değişiklik yaşanmaz. Bu tür yüzeylere hidrolik açıdan pürüzsüz yüzeyler denir. Bazı pürüz elemanları viskoz alt tabaka sınırının üzerine çıktığında, bu elemanların arkasında küçük girdaplar ve akım ayrılmaları meydana gelir. Yüzey pürüzlülüğü arttıkça, pürüz elemanlarının arkasında büyük akım ayrılmaları oluşmaya başlar ve bu akış rejimi tam pürüzlü akış rejimi olarak adlandırılır. 
Pürüzlü yüzeyde gelişen türbülanslı akışta logaritmik bölgedeki ortalama hız profili, pürüzsüz yüzeye kıyasla paralel olarak bir miktar aşağı kayma gösterir. Aşağı kaymanın büyüklüğü pürüzlülük fonksiyonu ile temsil edilir.  Bu çalışma kapsamında yürütülen HAD analizlerinde yüzeylere ait pürüzlülk etkileri, daha önceden belirlenen pürüz fonksiyonları ile hesaplamalara dâhil edilmiştir. 
5. Bölüm'de gemi direnci, direnç bileşenleri ve ölçekleme yöntemleri anlatılmaktadır. Gemiler, seyir süresince hareketlerine zıt yönde bir idrenç kuvvetine maruz kalırlar. Direnç kendi içinde farklı bileşenlere ayrılır. Farklı bileşenler farklı fiziksel özellikler sergilediklerinden bileşenlerin doğru tanımlanması anlaşılması model deneyi verilerinin gemi ölçeğine dönüştürülmesi bakımından önemlidir. Gemi dış kaplaması üzerinde oluşan teğetsel gerilmelerin yüzey boyunca toplamı sürtünme direncini verir. Yüzey üzerindeki normal gerilmelerin toplamı ise basınç direnci veya artık direnç olarak adlandırılır. Artık direnç kendi içinde dalga direnci ve viskoz basınç direnci olarak iki alt bileşene ayrılır. Sürtünme direnci ve viskoz basınç direnci viskozite etkisi ile ortaya çıktığından bu dirençlerin toplamına viskoz direnç adı verilir.
Gemi dış kaplamasındaki yüzey pürüzlülüğünün sürtünme direncini artırdığı ilk gemicilik uygulamalarından beri bilinmektedir. Ancak pürüzlülük sınır tabaka içindeki akış özelliklerini etkilediğinden, iz bölgesindeki akışı da dolaylı olarak değiştirir. Bu nedenle viskoz basınç direncinin de yüzey kalitesine bağlı olarak değişmesi beklenebilir. Bu çalışmanın önemli bir bulgusu, Reynolds sayısı 106 – 107 aralığında iken pürüz nedeni ile sürtünme direncinde ortaya çıkan artış oranı ile viskoz basınç direncinde ortaya çıkan artış oranının neredeyse eşit olduğudur.
Akış, matematiksel olarak, zamandan bağımsız Reynolds Ortalamalı Navier Stokes (RANS) denklemleri ile modellenmiştir. Reynolds gerilmeleri çift tabaka yaklaşımlı gerçeklenebilir k-ε türbülans modeli ile hesaplanmıştır. Denklemler Star CCM+ yazılımı kullanılarak sonlu hacimler tekniği ile ayrıklaştırılmış ve segregated çözüm algoritması ile çözülmüştür. Çözüm yöntemine ait detaylar Bölüm 5'te açıklanmaktadır.
Analizlerde beş farklı antifouling deniz boyası ve iki farklı zımpara kâğıdı göz önüne alınmıştır. Duvar fonksiyonlarında kullanılan pürüzlülük fonksiyonları için önceki çalışmalardan elde edilen deneysel verilerden yararlanılmıştır.  
Sayısal analizler, üç farklı geometri ile yürütülmüştür. İlk aşamada düz levha etrafındaki akış incelenmiş ve sonuçlar deneysel verilerle kıyaslanarak çalışmanın doğruluğu gösterilmiştir. Daha sonra Wigley tekne formu ve Kriso Konteyner Gemisi (KCS) etrafındaki akış modellenmiş, viskoz basınç direncinin ve sınır tabakadaki akış özelliklerinin değişimi araştırılmıştır. Pürüzlülüğün sınır tabaka içindeki türbülans şiddetini arttırdığı, hız değerlerini düşürdüğü, buna bağlı olarak yerel kayma direncini ve toplam sürtünme direncini arttırdığı gözlenmiştir. İz bölgesindeki akış karakterinde de dolaylı bir değişim meydana geldiği saptanmış ve viskoz basınç direncinin de sürtünme direncine benzer bir oranda arttığı gözlenmiştir.
Çalışmanın son kısmında ise KCS için iki farklı seyir hızında gemi ölçeğinde sürtünme direnci değerleri hesaplanmıştır. Yeni uygulandıklarında, deniz boyalarının, gemi direncini pürüzsüz bir dış kaplama yüzeyine kıyasla %3 - %8 arasında arttırdığı saptanmıştır. Bir başka önemli bulgu ise, Silikon bazlı foul release boyaların kendinden parlatmalı Tri-Bütil Kalay boyalara kıyasla %3 civarında daha düşük dirence yol açtığıdır.

Abstract:
The relationship between surface roughness and ship resistance has long been of interest to researchers. Ships are exposed to biological and chemical contamination from the moment they are launched, and the surface roughness of the outer surface increases as a result of this contamination. Due to this increase, ship resistance and consequently fuel consumption increase considerably. In order to avoid this situation, the outer surface of the vessels are painted with antifouling paints which minimize such contamination and the surfaces of the vessels are periodically cleaned or repaired.
As a result of the fossil fuels used in ships, ship-based air pollution increases, and the International Maritime Organization imposes new restrictions about air pollution. The restrictions require new ships to be constructed with maximum energy efficiency to reduce greenhouse gas emissions. Thus, it is important to accurately estimate the ship performance at the design stage.
Today, ships use a wide range of antifouling marine paints. Each paint has several advantages and disadvantages. Each paint creates a different roughness texture on the outer surface. Thus, the effect of each paint on ship resistance is also different. Determining the effects of different paints on resistance is critical in determining the hydrodynamic performance of the vessel during the design stage. Hence, the effects of different marine paints on ship resistance were investigated in this study.
There are two main objective of this thesis. First, it is aimed to develop a simple and convenient solution methodology for modeling the surface conditions based on the statistical and previous experimental data. Second objective is to calculate the surface effects for various vessel geometries to investigate the relationship between viscous pressure resistance and roughness conditiouns. It is expected that the methodology provides useful information about resistance which enables engineers to design more efficient and envirenmontally friendly ships.
Second section of the thesis is dedicated to the antifouling marine paints. Traditional paints are still being used in small vessels, which are highly sensitive to the alkaline. Additionally, traditional paints have only 6 months to one year of service lives. Controlled Depletion Polimers are generated from the traditional antifoulings with more service lives. Both of these paints have limited applications on commercial vessels. 
The big commercial ships were using the Tributil Tin paints before 2000. The main advantage of the this technology is the amazing service life of 5 years. However, using these paints were banned with an international regulation by International Maritime Organization (IMO). Foul release antifoulings are becoming popular nowadays with their good hydrodynamic and long-life features. 
The turbulent boundary layers are conventionally composed of sub-regions which exhibit different physical properties. These regions are examined in two main groups as inner region and outer region. The inner region is further divided into viscous sublayer and a log-law layer. The surface roughness affects the inner part of the boundary layer and the effect of the roughness decreases as the distance from the wall increases.
Surface conditions becomes more effective on the average flow properties as boundary layer thickness decreases. Thus, roughness condition on the fore part of a ship has the major effect on the resistance increase. 
When the height of all roughness elements is within the viscous sublayer, there is no change on the average flow properties. Such surfaces are called hydraulically smooth surfaces. When some roughness elements rise above the viscous sublayer partially, small eddies and separations occur behind these elements. This flow regime is called the transition regime. As the surface roughness increases, large flow separations begin to form behind the roughness elements and this flow regime is called the fully rough flow regime.
The roughness conditions of real engineering surfaces are more complex considering with the regular roughness of sand grains. Some researches reveals that, such surfaces can be modeled successfully with a single roughness function in the log-law region. The function should be chosen meticoulesly based on the flat plate experiments though. 
In the turbulent flows over the rough surfaces, the mean velocity profiles in the log-law region show parallel decreases according to the mean velocity profiles of smooth surfaces. The magnitude of the decreases are represented by the roughness functions. In the CFD analysis carried out within the scope of this study, the roughness effects of the surfaces were included in the calculations with predetermined roughness functions.
Chapter 5 describes ship resistance, resistance components and scaling methods. Ships are subjected to a resistance force in the opposite direction to their movements during the operation. Resistance itself is divided into different components. Since different components exhibit different physical properties, correct identification and understanding the components is important in converting the model test data to the ship scale. 
The sum of the tangential stresses on the ship's Shell plating along the surface gives frictional resistance. The sum of the normal stresses on the surface is called pressure resistance or residuary resistance. The residuary resistance is itself divided into two sub-components as wave resistance and viscous pressure resistance. Since the frictional resistance and viscous pressure resistance are largely due to the viscos effects, the sum of these resistances is called viscous resistance.
Starting from the 19th century, ship hydrodynamists developed various approaches to calculate the total resistance of a hull from scaled model experiments. All of such methodologies can be examined in two main section, one being conventional approach based on Froude Hypothesis and other is called form factor approach. However, mutual interactions of the resistance component are not complately understood. 
It has been known since the first marine applications that the surface roughness of the ship's outer surface increases the frictional resistance. However, as the roughness affects the flow characteristics in the boundary layer, it also indirectly changes the flow in the wake zone. Thus, the viscous pressure resistance can be expected to change depending on the surface quality. 
The flow is mathematically modeled by steady Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations. Reynolds stresses were calculated by using two layer realizable k-ε turbulence model. Equations are solved by Finite Volume Method (FVM) with a segregated algorithm using Star CCM+ software. The details of the solution method are described in Chapter 5.
Five different antifouling marine paints and two different sandpapers, in addition to a smooth referance surface, were considered in the analysis. For the roughness functions used in wall functions, experimental data obtained from previous studies were used.
Numerical analyzes were conducted with three different geometries. In the first stage, the flow around the flat plate was examined and the results were validated by comparing with the experimental data. The validation study were conducted with two Reynolds numbers. Except for one surface, which contains the most extreme roughness characteristics, results were in extremely good agreement with the experiments with 3% relative error at most.
Then the flow around the Wigley form and the Kriso Container Ship (KCS) was modeled, and the change of the viscous pressure resistance and the flow properties in the boundary layer were investigated. In order to determine
Just from the common sense, one can claim that the frictional resistance shoul increase when the surface becomes more rough. It is not that obvious, however, when it comes to the viscous pressure resistance. In this part of the study reveals that the viscous pressure resistance shows similar tendency with the frictional resistance in the Reynolds number range of 106 – 107.  This means that the form factor stays the same in that range of Reynolds number.
It has been observed that as the roughness increases, the turbulence intensity in the boundary layer increases, the velocity values decrease, and the local slip resistance and total frictional resistance increase. It has been observed that an indirect change in the flow character in the wake region has also occurred and the viscous pressure resistance has increased at a rate similar to the frictional resistance.
In the last part of the study, frictional resistance values were calculated for ship scale at two different service speeds. Newly applied, marine paints were found to increase ship resistance by 3% - 8% compared to a smooth exterior surface. It is seen that, the increase of resistance is smaller in ship scale due to the fact that the boundary layer thickness around the ship is bigger then the model. Another important finding is that silicone-based foul release paints give about 3% lower resistance than self-polishing copolymer Tri-Butyl Tin (SPC TBT) paints.