Bir otonom su altı araç modelinin hidrodinamik akış karakteristiklerinin deneysel araştırılması
Experimental investigation of hydrodynamic flow characteristics of an autonomous underwater vehicle model
Yazar: MEHMET ERDEM
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Aerodinamik = Aerodynamics ; Hidrodinamik = Hydrodynamics ; Hız ölçme = Velocity measurement ; Otonom araçlar = Autonomous vehicles ; Türbülanslı akış = Turbulent flow

Özet:
Bu tez çalışmasında, arkası küt bir su altı otonom araç modelinin burun yapısı, uzunluğu ve model etrafındaki akış parametreleri değiştirilerek, söz konusu akış yapısının ve karakterinin ne şekilde değiştiği deneysel olarak incelenmiştir. Modelin iki farklı burun yapısı (eliptik ve yarı eliptik) ve iki farklı uzunluğu (L=220 ve 320 mm) için su tünelinde PIV ve boya görselleştirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde, Reynolds sayısı (Re=32000 ve 64000), daldırma oranı (0.5≤h/D≤3.5) ve hücum açısı (α=0°, 4°, 8° ve 12°) parametreleri değiştirilerek akış karakteristiği ve serbest yüzeyin etkisi araştırılmıştır. Çalışmada geometri etrafında oluşan akış özellikleri; akım yönündeki ve dik yöndeki hız bileşenleri (u ve v), akım çizgileri (ψ), Reynolds gerilmeleri, türbülans kinetik enerji (TKE), girdap ve türbülans çalkantı kontur değişimleri ortalama olarak ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlarda, daldırma oranı h/D<1.5 durumunda her iki Reynolds sayısı için art izi bölgesinin serbest yüzey etkisinden dolayı çok karmaşık olduğu ve yine art izinin söz konusu daldırma oranlarında, çoğunlukla alt kayma tabakasının etkisinde oluşmasından kaynaklı olarak asimetrik bir yapıya sahip olduğu görülmüştür. Daldırma oranı h/D≥1.5 durumlarında ise zaman ortalamalı akış yapıları, serbest yüzey etkisi ciddi oranda azaldığı için neredeyse simetrik yapılar göstermiştir. Reynolds sayısının Re=32000 değerinden 64000'e çıkarıldığı durumlarda art izindeki kritik noktaların geometrinin arka kenarına daha yakın olduğu açıkça görülmüştür. Ayrıca, rüzgar tünelinde kuvvet ölçüm ve çeşitli akış görselleştirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde her bir model için, rüzgâr tünelinin ve kuvvet sensörünün hassasiyeti de göz önüne alınarak Re=1.2x105, 2.4x105, 3.6x105, 4.8x105, 6.0x105 ve 7.2x105 değerlerinden en az üçünde ölçüm alınmıştır. Modellerin hücum açısı 0°<α<30° aralığında alınmıştır. Kuvvet deneyleri sonucunda; hücum açısının belirlenen aralıkta artışının, CL ve CD değerlerini artırdığı; uygulanan Re sayısı değerleri için, Reynolds sayısındaki artışın CL ve CD değerlerinde düşüş meydana getirdiği; eliptik uçlu modelin yarı-eliptik uçlu modele kıyasla, belirlenen hücum açısı aralığında ve Reynolds sayısı değerlerinde, daha yüksek CD ve daha düşük CL'e sahip olduğu ve boy/en (L/D) oranının artışının hem CL hem CD değerleri için artış meydana getirdiği yargılarına ulaşılmıştır. Bu çalışmada elde edilen değerler ve sonuçlar, literatürdeki sonuçlarla da karşılaştırılmıştır. Sayısal araştırma ve tasarım için faydalı olabilecek çıktılar oluşturulmuştur.

Abstract:
In this thesis, of a blunt-back underwater autonomous vehicle model, the nose structure and the length, and the flow parameters around the model were changed, and how the flow structure changed was analysed experimentally. For two different nose structures (elliptical and semi-elliptical) and lengths (220 and 320 mm) of the model, PIV and dye visualization experiments were carried out in a water tunnel. In PIV and dye experiments, changing Re number (32000 and 64000), immersion ratio (0.5≤h/D≤3.5) and angle of attack (α=0°, 4°, 8° ve 12°) parameters, the effect of free surface was investigated. Streamwise and cross-stream velocity components (u and v), streamlines (ψ), Reynolds stresses correlations, turbulence kinetic energy (TKE), vorticity and turbulence fluctuation contour variations are considered as time-averaged. Then, it was observed that in the case of immersion ratio h/D<1.5, the wake region for both Re numbers is very complex due to the free surface effect. Due to the formation of the wake under the effect of the lower shear layer at these immersion ratios, it has an asymmetrical structure. In cases of h/D≥1.5, time-averaged flow structures showed almost symmetrical structures as the free surface effect was significantly reduced. In cases where the Re is increased from 32000 to 64000, it is clearly seen that the critical points in the wake region are closer to the trailing edge of the geometry. In addition, force measurement and various flow visualisation experiments were carried out in a wind tunnel. Taking into account the sensitivity of the wind tunnel and the force sensor, for each model here, data were obtained using at least three of the Re values in the interval of 1.2x105-7.2x105. The angles of attack were chosen in the range of 0°<α<30°. Then, the following conclusions have been reached: Increasing the angle of attack in the determined range increased the CL and CD; for the applied Re values, the increase in the Re caused a decrease in the CL and CD; the elliptical model had higher CD and lower CL compared to the semi-elliptical model in the determined angle of attack and Re, and the increase in L/D ratio resulted in an increase for both CL and CD. The results obtained in this study were also compared with the literature and the outputs that could be useful for numerical research and design were presented.