Ters-dönüşlü pervane sistemlerinde hidroakustik etkileşim
Hydroacoustic interaction on contra-rotating propeller systems
Yazar: ÇAĞATAY SABRİ KÖKSAL
Danışman: PROF. DR. EMİN KORKUT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemi pervaneleri = Ship propellers ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Hidroakustik yöntem = Hydroacoustic method ; Pervaneler = Fans

Özet:
Ters-dönüşlü pervane (CRP) sistemlerinde, ön ve arka pervane arasında farklı akış koşulları altında meydana gelen etkileşimin gürültü spektrumu üzerindeki etkisi, gemi arkası durumunda, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Ön ve arka pervane arasında meydana gelen etkileşim; pervane kanatlarının emme ve basınç taraflarında görülen kavitasyon paternleri ile akış hacmi içerisindeki türbülans karakteristikleri dikkate alınarak sınıflandırılmıştır. Sevk noktasında, ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için hesap edilen tork dengesi (ΔQ), sevk verimi (ηD), kavitasyon paternleri, türbülans karakteristikleri ve gürültü spektrumu; kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile karşılaştırılmıştır.
CFD çalışmalarında, Reynolds ortalaması alınmış Navier-Stokes (URANS) ve ölçeğe-uyarlanabilir simülasyon (SAS) yöntemleri, SST (shear stress transport) k-ω türbülans modeli ile birlikte kullanılmıştır. SST-SAS modelini SST-URANS modelinden ayıran farklılık, türbülanslı girdap frekansına (ω) ilave edilen bir terimden (QSAS) kaynaklanmaktadır. Çift fazlı akış; VOF (volume of fluid) yöntemi ve kavitasyon ise Rayleigh-Plesset denkleminin basitleştirilmiş bir formunu kullanan Schnerr-Sauer modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Gürültü tahminlerinde, süreklilik ve Navier-Stokes denklemlerinden türetilen ve homojen olmayan yapıdaki bir dalga denklemi olarak ifade edilen Ffowcs-Williams ve Hawkings (FW-H) denklemleri kullanılmıştır.
Pervane açık su, kavitasyon ve gürültü spektrumu incelemelerinde, konvansiyonel tipte olan King's College (KCD) KCD 193 pervane modeli kullanılmıştır. Pervane model deneyleri, Newcastle Üniversitesi Emerson Kavitasyon Tüneli'nde (ECT) gerçekleştirilmiştir. CRP sistemleri ile gerçekleştirilen pervane açık su incelemelerinde ise David Taylor Model Basin (DTMB) DTMB 3686-87A ters-dönüşlü pervane çifti kullanılmıştır. Gemi direnci, nominal iz ve sevk incelemelerinde, geometrik özelliklerine ve deney sonuçlarına literatürde erişilebilen, dökme yük tipindeki Japan Bulk Carrier (JBC) gemi modeli kullanılmıştır. JBC gemisi NMRI (National Maritime Research Institute), Yokohoma Üniversitesi ve SRC (Ship Building Research Center of Japan) tarafından, Class NK'nın da dahil olduğu bir endüstri programı kapsamında, araştırma projelerinde kullanılmak için tasarlanmıştır.
Doğrulama çalışmalarında, en küçük kareler (LSR) yöntemi kullanılmıştır. CRP sistemlerinin doğrulama ve geçerleme çalışmalarında türbülans modeli, algoritma ve basınç ayrıklaştırma şeması çeşitleri; türbülanslı ölçeklerin modellenmesi, hesaplamaların doğruluğu ve süresi üzerindeki etkileri bakımından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı çalışmalarda, hibrit yapıdaki çok kriterli karar verme yöntemi (MCDM) kullanılmıştır. Performans gereksinimleri bilinen JBC gemisi dikkate alınarak, bir ters-dönüşlü pervane tasarlanmıştır. Pervane tasarımında, Sasaki ve diğ. (1998) tarafından geliştirilen ve Sumitomo Heavy Industries kuruluşunca revize edilen bir yazılım kullanılmıştır. Ön ve arka pervane arasındaki eksenel mesafe (X/DFP), yük dağılımı (LFP:LAP), kanat sayısı konfigürasyonu (ZFP:ZAP) ve devir oranı (nFP:nAP) parametrelerinin; sevk noktasındaki pervane açık su verimi (η0) ve tork dengesi (ΔQ) üzerinde olan etkileri dikkate alınarak, toplamda 81 farklı pervane tasarımı için sistematik bir inceleme gerçekleştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki etkileşimin, gürültü spektrumu üzerindeki etkisi incelenmek istendiğinden, pervaneler arasındaki devir oranı dikkate alınarak, üç farklı sevk noktası bulunmuştur.
Hesaplamalı çalışmalarda kullanılan ağ örgüsü yapılarında, ilk hücre yüksekliği (y) ve sınır tabaka içerisindeki toplam katman sayısı; duvardan boyutsuz uzaklık (y+) değeri dikkate alınarak hesap edilmiştir. Akış hacmi içerisinde, yan oran (AR) ve çalıklık (ψ) değerleri için sırasıyla AR<100 ve ψ<0.9 kriterleri genel olarak sağlanmıştır.
Model ölçeğinde hesap edilen sevk katsayıları, 1978 ITTC yöntemi kullanılarak tam ölçeğe ekstrapole edilmiştir. Kavitasyon incelemelerinde kullanılacak olan ilerleme katsayısı (J) ve kavitasyon sayısı (σ) değişkenleri belirlenmiştir. Kanat ucu girdap kavitasyonu oluşumunu modellemek için girdaplılık kriterinin (Q) kullanıldığı uyarlanabilir bir ağ örgüsü yapısı oluşturma stratejisi geliştirilmiştir. Hesaplamalı çalışmalarda, ağ örgüsü yapısı iyileştirildikçe; zaman adımı değeri, Courant sayısı (CFL) kriterine (CMAX<1) bağlı olarak küçültülmüştür. CRP sistemlerinde, tek pervaneli sevk sistemlerinden farklı olarak, ön ve arka pervane devirlerinin birbirlerinden farklı olması halinde, hesaplamalı çalışmalarda tamınlanan tekil zaman adımı değerine bağlı olarak, pervaneler arasında bir faz farkı oluşmaktadır. CRP sistemlerinin kendi aralarında ve tek pervaneli sevk sistemi ile kavitasyon ve türbülans karakteristikleri bakımından doğru bir karşılaştırmasının yapılabilmesi için bir faz ortalaması alma yaklaşımı geliştirilmiştir. Ön ve arka pervane arasındaki farklı devir oranları için elde edilen kavitasyon paternleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, akış hacmi içerisinde tanımlanan farklı pozisyonlardaki dairesel kesitler üzerinde, türbülanslı kinetik enerji (k), girdaplılık (Ω) ve türbülans boy ölçeği (l) değerleri incelenmiştir.
Gürültü tahminlerinde, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde her bir dalga boyuna en az (λ) 20 hücre sığdırılması, sınır frekansı (cut-off frequency) ve en küçük türbülans boy ölçeğinin en azından iki hücre kullanılarak modellenmesi yaklaşımları dikkate alınmıştır. Hesaplamalı çalışmalarda, pervane önündeki ve arkasındaki akış hacminin bir bölümünü içerisine alan bir akış hacmi (PDS) gürültü kaynağı olarak tanımlanmıştır. Böylece, pervane arkasındaki akış hacmi içerisinde meydana gelen türbülanslı yapıların (kuadrupol) etkileri de incelemelere dahil edilmiştir. Şaft merkezine eşit uzaklıktaki farklı alıcı pozisyonlarında hesap edilen gürültü spektrumları incelenmiştir. Sevk noktasında, tek pervaneli ve farklı devir oranlarındaki CRP sistemleri için bulunan gürültü spektrumları kendi aralarında karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Contra-rotating propulsion (CRP) systems are used in various ship types and underwater warfare systems (torpedo, submarine, etc.), specifically. The forward and aft propellers rotate in opposite directions on individual shafts running along the same axis. The rotational energy loss of the forward propeller is considerably recovered to the propulsion system by the aft propeller. The overall propulsion efficiency (ηD) increase compared to the conventional type single propeller propulsion systems up to 10-15%. The CRP systems have a balanced torque distribution between the forward and aft propellers and a regular pressure gradient in the wake region, contributing to steering and manoeuvrability. The swirl motion of underwater warfare systems (torpedo) is prevented. The design and performance details of the CRP systems rarely exist in the literature since their commercial confidentiality.
The effect of the interaction between the forward and aft propellers on the noise spectrum for different flow conditions was investigated in the behind ship condition using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The effect of the interaction was discussed considering the cavitation patterns on the suction and pressure sides of the propellers and the turbulence characteristics in the flow domain. The torque balance (ΔQ), ηD, cavitation patterns, turbulence characteristics and noise spectrum calculated for different rotation rates at the propulsion point were compared among themselves and with the conventional propulsion system. The classical Reynolds averaged Navier-Stokes (URANS) and Scale-Adaptive Simulation (SAS) methods were used with the SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model. The SAS method is developed from the classical URANS model, noting that the way that turbulence is incorporated is mathematically equivalent between the RANS approach and the subgrid-scale model used for Large Eddy Simulation. The difference of the SST-SAS by the classical SST-URANS model is a term (QSAS) added to the turbulent eddy frequency (ω). Multi-phase flow; the volume of fluid (VOF) method and cavitation formation was calculated using the Schnerr-Sauer model, which uses a simplified form of Rayleigh-Plesset equation and the inertia controlled growth model for bubble formation. A homogeneous mixture approach, which is based on the presence of seeds and their subsequent growth and collapse as bubbles was used to model the two-phase cavitating flow. In the incompressible flow, the divergence of the velocity is zero. However, noteworthy in cavitating flow, cavity evaporation and condensation cause a volume dilation. Thus, the divergence of the mixture velocity does not vanish. The phases were assumed to be well mixed moving at the same velocity, same pressure and to be in local thermodynamic equilibrium by sharing the same temperature. The Ffowcs-Williams and Hawkings (FW-H) equation, derived from continuity and Navier-Stokes equations and expressed as an inhomogeneous wave equation, were used for noise estimations.
The sliding mesh technique was applied to simulate the rotation of both single propeller and contra-rotating propulsion systems. Initially, a particular mesh refinement was adopted on the regions where cavitation development was expected.
The conventional type King's College (KCD) KCD 193 propeller model was used to validate the propeller open water characteristics, cavitation pattern and noise spectrum. Propeller model tests were conducted in the Newcastle University, Emerson Cavitation Tunnel (ECT). The cavitation experiments should always be performed under certain water quality conditions. The water quality of the ECT is monitored throughout all cavitation tests as it has a significant impact on the measurements. ECT has a dedicated water quality monitoring system and degassing system to keep the oxygen saturation level of the tunnel at desired level. David Taylor Model Basin (DTMB) DTMB 3686-87A propeller models were used to validate the propeller open water characteristics of the CRP systems. A Capesize bulk carrier type, Japan Bulk Carrier (JBC) ship model, that geometrical features and model test results can be accessed in the literature, was used to validate the ship model resistance, nominal wake and self-propulsion coefficients. The JBC ship was designed by NMRI (National Maritime Research Institute), University of Yokohoma and SRC (Ship Building Research Centre) as part of research activities in an industry program including the Class NK.
The least-squares root (LSR) method was used for the uncertainty analysis in CFD verification and validation methodology and procedures. In the verification and validation analysis of the CRP systems, several turbulence models, algorithms and pressure-velocity discretization schemes were compared in terms of their effects on modelling of turbulent scales, accuracy and cost of computations. A hybrid multi-criterion decision-making method (MCDM), which is a combination of analytic hierarchy process (AHP) and technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS), was used in comparative studies.
A contra-rotating propeller was designed considering the performance requirements of the JBC ship at the propulsion point. The CRP system design software used in the study was developed by Sasaki et al. (1998) and revised by Sumitomo Heavy Industries. A systematic investigation was carried out for 81 individual cases, regarding the effects of the axial distance (X/DFP), load distribution (LFP:LAP), blade number configuration (ZFP:ZAP) and rotational ratio (nFP:nAP) criteria between the forward and aft propellers on the propeller open water efficiency and torque balance at the propulsion point. Several rotational rates have been calculated at the propulsion point to examine the effects of the interaction between the forward and aft propellers on the cavitation pattern, turbulence characteristics and noise spectrum.
The first cell height (y) and the number of layers in the boundary layer were calculated by distance from the wall (y+) in the mesh topology. The y+ values on the propeller obtained close to each other for different grid densities. If the y+≤5, the solution is in linear sub-region, whereas if 5