Yalpa sönümünün gemi kesiti için deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of roll damping for a ship hull section
Yazar: BURAK YILDIZ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Yalpa hareketinin doğru bir şekilde tahmin edilmesi operasyon ve güvenlik sebeplerinden dolayı büyük önem taşımaktadır. Rezonans bölgesinde gemi yüksek genlikli yalpa hareketine maruz kalabilir ve bu da geminin devrilmesine, yükün kaymasına, güverte yüklerinin hasara uğramasına ve istenmeyen diğer sonuçlara neden olabilir. Yalpa hareketi haricindeki diğer gemi hareketleri potansiyel teori yardımıyla doğru bir şekilde tahmin edilebilir. Bunun sebebi, diğer gemi hareketlerinden farklı olarak, viskoz sönümün özellikle rezonans bölgesinde yalpa hareketinde önemli bir etkiye sahip olmasıdır.
Viskoz yalpa sönümünü hesaplamak için deney sonuçları kullanılarak ampirik veya yarı ampirik formüller geliştirilmiştir. Bu formüllerden en doğru sonuç vereni ve yaygın olarak kullanılanı, Ikeda metodu olarak bilinen ve yalpa sönümünü beş ayrı bileşene ayırarak hesaplayan yöntemdir. Bu yöntem belli tipte bir gemi kullanılarak geliştirilmiştir ve her bir parametre için belli aralıklar belirlenmiştir. Bu sebepten dolayı yeni tipte bir gemi kullanıldığında ve verilen aralığın dışında bir parametre belirlendiğinde yöntem gerçeğinden farklı değerler vermektedir. Yalpa sönümünü en doğru şekilde hesaplamanın yolu model deneylerdir. Ancak pahalı ve zaman aldığından dolayı farklı tip gemi veya yalpa omurgası için araştırma yapmayı zorlaştırmaktadır.
Gelişen teknolojiyle beraber bilgisayar hesaplama hızındaki artış, yalpa sönümü hesabında Reynold averaged Navier-Stokes (RANS) denklemlerini sayısal olarak çözen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programlarının kullanılmasını yaygın hale getirmiştir. RANS çözücüler sınır tabakalardaki girdap oluşumları, girdap saçılışları ve türbülans etkileri gibi viskoz sönümün ana fiziksel unsurlarını içerir ve doğru sonuçlar almamızı sağlar. Bunlara ek olarak deneylere kıyasla daha ekonomiktir ve daha kısa sürede analiz yapılmasını sağlar.
Bu çalışmada serbest yüzey etkisi altında zorlanmış yalpa hareketi yapan yalpa omurgasına sahip iki boyutlu gemi kesiti etrafındaki akış RANS çözücü kullanılarak incelenmiştir. Yalpa sönüm katsayıları sayısal olarak hesaplanmış ve yapılan deneylerle de karşılaştırılarak yalpa sönüm katsayısının sayısal olarak doğru bir şekilde hesaplanabildiği gösterilmiştir. Çeşitli parametreler (yalpa frekansı, yalpa açısı, gemi su çekimi ve yalpa omurgası genişliği) için deneysel ve sayısal analizler yapılarak bu parametrelerin yalpa sönümüne etkisi gösterilmiştir. Ayrıca sığ su çekimi ve geniş yalpa genlikleri gibi Ikeda metodunun yetersiz kaldığı koşullar için hesaplamalar yapılmış ve metodun bu koşullarda neden farklı sonuçlar verdiği incelenmiştir. Viskoz sönüme neden olan tekne ve yalpa omurgası etrafındaki girdap oluşumları ve girdap saçılışları RANS çözücü yardımıyla gösterilmiş ve yalpa sönümüne etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Accurate predictions of roll motion for operational and safety considerations are paramount. Large amplitude roll motions may lead to capsize, cargo shift, loss of deck cargo and other undesirable consequences. However, the accuracy of the calculated results for roll motion lag behind the other degrees of freedom. This is because, unlike other degrees of freedom, viscous damping plays an important role in roll, especially near resonance.
In the potential flow programs, viscous roll damping effects are accounted by using empirical or semi empirical methods. The most accurate and commonly used method has been established by Ikeda where roll damping is divided into five components; friction, wave, eddy, naked hull lift and bilge keel damping. However, the method calculates roll damping for conventional hull forms and the data for each component are limited to a range of parameters. Therefore, the method should be carefully investigated when new and modern designs are involved. The most accurate way to calculate roll damping is model tests. However, model testing is expensive and time consuming to carry out experiments so that it is difficult to investigate the influence of different hull and bilge keel geometries.
With the development of technology and fast computers Computational Fluid Dynamics (CFD) based on Reynold averaged Navier-Stokes (RANS) solvers have recently become a powerful tool for the assessment of the roll damping coefficient. RANS solvers naturally incorporate the effect of viscosity, effective creation of vortices in the boundary layer, vortex shedding and turbulence and hence are likely to produce better results. Also, they may offer a cost-effective and fast method complementary to model tests to obtain viscous roll damping coefficients.
In this study, the flow around a forced rolling two dimensional hull section with bilge keel at free surface is simulated by using RANS solver. Roll damping coefficients are calculated numerically and validated with experiments to show if RANS code can correctly predict the damping coefficients. A series of model experiments and numerical studies are carried out for different parameters (roll frequency, roll amplitude, ship draft and bilge keel width) to show the effects of parameters on roll damping. Moreover, the conditions, such as shallow draft and large roll amplitude where Ikeda's estimation method is no longer sufficient, are investigated to show why this method is insufficient for accurate and physical correct prediction. The generated vortices and vortex shedding around the hull and bilge keel are observed by using RANS solver to show the effect on roll damping.