Torpido benzeri geometri çevresindeki akış yapısının araştırılması
Investigation of flow structure around torpedo like geometries
Yazar: SERCAN YAĞMUR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. FARUK KÖSE
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dinamik basınç = Dynamic pressure ; Statik basınç = Static pressure

Özet:
Akışkanlar mekaniğinin en önemli uygulama alanlarından bazıları su altı savunma, ulaşım, inceleme, insanlı/insansız deniz altı araçları, enerjiye yönelik kaynakların (petrol ve deniz üstü rüzgar türbin platformları, akıntı ve gelgit su türbinleri, vb.) araştırılma ve geliştirilmesi, uluslararası enerji ve iletişim hatlarının akış ile etkileşimlerini içeren çalışmalarıdır. Özellikle okyanus ve deniz kıyısı ülkeler için su altı araştırmaları oldukça önemlidir. Su altı araştırma çalışmalarında, savunma sanayisinde ve çeşitli endüstriyel sektörlerde insanlı veya insansız su altı araçlar kullanılmaktadır. Bu araçlara örnek olarak deniz altılar, torpidolar, insansız kameralar, araştırma gemileri vb. verilebilir ve bu araçlar hücum, gövde ve firar bölgesinden oluşmaktadırlar. Bu çalışmada da üniform akış şartlarına yerleştirilen torpido benzeri geliştirilen geometrinin =0o, 4o, 8o, 12o hücum açılarında ve bu geometriye pasif akış kontrolü uygulanmış geometriler etrafında oluşan hidrodinamik akış karakteristiği Parçacık Görüntüleme Hız Ölçüm (PIV) sistemi ve ANSYS-Fluent paket programı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (HAD) yöntemi ile Re=2x104-4x104 aralığında zaman bağımlı olarak incelenmiştir. Akış karakteristiğine ait anlık ve ortalama vektör alanı, girdap, vektörlerin akış doğrultusundaki ve akışa dik yöndeki bileşenlerinin ortalama ve çalkantı skaler değerlerinin, Reynolds gerilmesi skaler değerlerinin, Türbülans Kinetik Enerji (TKE) skaler değerlerinin değişimleri eş düşey eğrileriyle ve akım çizgileri çeşitli post-proses yazılımları kullanılarak detaylı olarak irdelenmiştir. HAD analizleri öncelikle kıyaslamalı olarak Large Eddy Simulation (LES), k-ε RNG ve k-ω SST türbülans modelleri ile yapıldı. Hidrodinamik akış karakteristiğine ait PIV deney sonuçlarına en yakın sonucu LES türbülans modeli verdiği için ve sonraki analizler LES ile detaylı gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde; Reynolds sayısı arttıkça art izi bölgesindeki durma noktası, geometrinin firar kısmına doğru yaklaşmaktadır. Akış karakteristiği açısından deneysel ve sayısal analiz sonuçları karşılaştırıldıktan sonra PIV sonuçları ile uyumlu olan LES türbülans modeli ile torpido benzeri geometriye etkiyen sürüklenme, kaldırma ve basınç katsayıları da sayısal hesaplamalar ile belirlenmiştir. Reynolds sayısının yüksek olduğu değerlerde sürüklenme katsayısının azaldığı belirlenmiştir ve Re=2x104 ve Re=4x104  olduğu değerlerde sürüklenme katsayısı sırasıyla CD=0.2278 ve CD=0.1665 bulundu. Firar bölgesine kanat yerleştirilerek pasif akış kontrolü uygulanmış modellerde sürüklenme katsayısını arttığı fakat art izin küçüldüğü görüldü. Basınç katsayısının ise torpido benzeri geometrinin hücum kısmındaki akışkanın durma noktasında maksimum (CP=1) değerini aldığı ve torpido modelinin hücum bölgesinden gövde bölgesine doğru geçişteki akış ayrılmasının gerçekleştiği bölgeden itibaren negatif değerler aldığı belirlendi. Hücum açısın artmasıyla sürüklenme katsayısı ve kaldırma katsayısı artmaktadır, modelin alt bölgesinde alçak basınç bölgeleri oluşmaktadır. Reynolds gerilmeleri ve TKE değerlerinin hücum kenarı ve art izi bölgesinde değişimlerinin hücum açısı arttıkça akış ayrılmasının artmasından dolayı  arttığı görüldü. Torpido geometrisi boyunca farklı kesitlerdeki xz düzleminde (arka görünüş) PIV ve LES sonuçları oluşan daimi olmayan akışın karmaşık yapısı ve oluşan kuvvetlerdeki değişimlerin kaynağını açıkça göstermektedir. HAD ve PIV sonuçlarının çizgisel değişimi geometri çevresinde karşılaştırıldığında %1-5 arasında değişen bir benzeşim gösterdiği tespit edildi.

Abstract:
Some of the application fields of fluid mechanics are underwater defense, transportation, investigation, manned/unmanned underwater vehicles, the studies and developments of sources that are related to energy (petroleum and off-shore wind turbines platforms, stream and tidal water turbines, etc.), fluid-structure interaction between the flow and the lines of international energy and communication. Especially, underwater studies are very important for the countries which have the coasts near oceans and seas. Manned or unmanned underwater vehicles are used for the underwater research studies, defense industry and various industrial sectors. Submarines, torpedoes, unmanned cameras, research ships etc. can be given as examples for these types of vehicles and these vehicles consist of attack, hull and trailing regions. In this study, the flow characteristics occurred around a special torpedo-like geometry placed in a uniform flow for various angles of attack =0o, 4o, 8o, 12o and passive flow controls modifying the geometry and adding tail have been investigated via Particle Image Velocimetry (PIV) and Computational Fluid Dynamics (CFD) by using ANSYS-Fluent program in the range of Reynolds numbers between Re = 2x104 and Re = 4x104, time-dependently. Instantaneous and time-averaged vector fields, vorticity,  contours for time-averaged scalar values of streamwise and cross-stream wise velocity components, and its root mean squares components, Reynolds stress correlation, Turbulence Kinetic Energy (TKE) scalar values and streamline topology have been examined in detail by utilizing several post-processing software. Preliminary, CFD analyses was comparatively done  by Large Eddy Simulation (LES), k-ε RNG and k-ω SST turbulence model. Due to the fact that the closest results to the hydrodynamic flow characteristics of the experimental PIV results were obtained by CFD analysis results of LES turbulence model, subsequent analysis was performed in detail by LES. When the obtained results are evaluated; with the increasing Reynolds numbers, stagnation point in the wake region comes closer to the trailing edge of the geometry. After the comparison of the experimental and numerical results in terms of  aforementioned flow characteristics was in agreement fairly well, coefficients of drag, lift and pressure acting on the torpedo-like geometry were only determined with numerical calculation by LES turbulence model. When the Reynolds number was increased, drag coefficients were decreased and  the drag coefficient values of CD=0.2278 and CD=0.1665 were found at Re = 2x104 and 4x104, respectively. As a result of adding appendages to the trailing edge of the model as a passive control aim, the drag coefficient values increased but the wake region was wrinkled. It has been determined that the pressure coefficient takes its maximum value (CP = 1) at the stagnation point placed the leading edge of the torpedo-like geometry and it has negative values after the region that flow separation occurs along the fuselage region of the body for the torpedo-like geometry. With the increase in attack angles, both the drag  and lift coefficients rise and lower pressure regions form under the body. Because of the flow separation, Reynolds stress  and TKE values in the trailing and leading region of model were become stronger  with the increasing attack angle. In order to provide three dimensional flow structure,  end-view images for both the PIV and LES were taken along the fuselage and wake region , which shows clearly sources of unsteady complex flow and variation of fluctuating flow induced forces. When the CFD and PIV results were compared along the orthogonal lines to the uniform flow in the flow field, the differences between simulation and PIV results were in the range of 1-5%.