Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı
Hydro and vibroacoustical solution of underwater vehicles using numerical methods and digital sonar design
Yazar: EMRE GÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Aeroakustik = Aeroacoustic ; Gemi pervaneleri = Ship propellers ; İnsansız su altı aracı = Remotely operated vehicle

Özet:
Bu tez kapsamında sonar izi bırakmama isterinin önemli olduğu jenerik bir sualtı aracı
üzerinde hidroakustik ve vibroakustik odaklı sayısal çözümleme gerçekleştirilerek iz
bırakım özellikleri belirlenmiştir. Hidrodinamik çözümlemenin gerçekleştirildiği
sonlu hacim yöntemleri ve ses yayılımının modellendiği akustik analojiler birarada
kullanılarak akışkan ortamındaki ses basınç seviyeleri, ses yönelimi, gürültü
spektrumları ve akustik iz bulunmuştur. Bununla birlikte izlenen yöntemin
doğrulanabilmesi için literatürde test verisi mevcut olan deneysel çalışmalar ele
alınarak uygunluk gösterecek sayısal kurgu oluşturulmuştur.
Doğrulama hidro/aerodinamik ve akustik olmak üzere iki aşamaya
bölümlendirilmiştir. Eğimli şaft üzerinde homojen olmayan akışa maruz kalarak test
edilmiş VP1304 pervanesine ait farklı devir ve hızlarda itme, tork ve verim bilgileri
literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada çalkantı Büyük Girdap Benzetimi (LES) ile
modellenmiş olup kayar ağ yöntemi kullanılarak akış sonlu hacim yöntemi ile sayısal
olarak çözülmüştür. Yapısal olmayan tetrahedral şekilli üç boyutlu uzaysal
ayrıklaştırmalar yoğun ağ örgüsü ile gerçekleştirilmiştir. Sayısal ve test sonuçları
birlikte değerlendirildiğinde tüm çalışma noktalarında maksimum yüzde 8 hata ile
kestirim yapılmıştır. Böylelikle sualtı aracının ardında bulunan akış iz profilinin
yüksek doğruluk ile modellenebileceği gösterilmiştir.
Dümenler akışı bozan özellikte olduğundan dolayı araç yağmur oluğuna ait olan test
verisi, sualtı aracının hidrodinamik olarak sayısal benzetim öncesinde yöntemin
doğrulanması anlamında kullanılmıştır. Belli bir akışa maruz kalan araç yağmur oluğu
üzerinde sayısal benzetim yapılmıştır. VP1304 pervanesinde kullanılan sayısal
parametreler ve teknikler burada da uygulanarak elde edilen sonuçlar test verileri ile
karşılaştırılmıştır. Yüzeylerde oluşturulan sınır tabaka kalınlığı küçük tutulmuştur.
İkinci derece ayrıklaştırmalar tercih edilmiştir ve basınç tabanlı çözücü kullanlmıştır.
Oluk çevresine belli aralıklarla yerleştirilmiş olan basınç ölçerler aracılığı ile elde
edilmiş boyutsuzlaştırılmış basınç verisi, sayısal sonuçlar ile karşılaştırıldığında bir
basınç ölçer hariç birbiri ile örtüşen mükemmele yakın uyum gözlemlenmiştir.
Ayrışma gösteren algılayıcı verisi azami yüzde 15 mertebesinde farklılıklar
göstermiştir.
Hidrodinamik anlamda yeterli doğrulukta netice alındıktan sonra akustik çözümlerin
doğruluğunu sınamak için test verileri mevcut olan deneysel çalışmalardan
faydalanılmıştır. Hidrodinamik ve akustik ölçekleri birbiri ile büyük oranda farklılık
gösterdiği için, ses yayılımını hesaplamalı aeroakustik ortamda modellemek ve
Doğrudan Sayısal Benzetim (DNS) kaynak bilgisi toplayarak gürültü tahmini yapmak
endüstriyel akışlar için ne yazık ki mümkün değildir. Bunun yerine Lighthill, Ffowcs
Williams Hawkings (FWH) ve Curle gibi bazı akustik analojilerden faydalanılmıştır. 
Bu analojiler ile ses yayılım denklemi önceden elde edilmiş ses kaynak bilgisi
kullanılarak çözülmüştür. Monopol, dipol ve quadrupol olarak sınıflandırılan ses
kaynakları sayısal akışkanlar dinamiği kullanılarak elde edilen çözümlemeler ile
rahatlıkla bulunabilmektedir. Bu maksatla oldukça küçük zaman adımları ile yüksek
yoğunluklu ağ örgüsü kullanılarak çözümleme gerçekleştirilmelidir. Aynı zamanda,
akustik ayrıklaştırma derecelerinin yeterliliği sınır şartlarının doğru tanımlanması ve
hidro/aerodinamik benzetimlerin uygunluğu kritik öneme sahiptir. Bu aşamada ilk
olarak silindir üzerinde gelişen bir akışın, uzak alan akustik yöntemi kullanılarak elde
edilen test verilerinin doğrulama amacıyla faydalanıldığı, akustik benzetimler
gerçekleştirilmiştir. Yine benzer şekilde sıkı ağ örgüleri ile ayrıklaştırılan üç boyutlu
silindir yapısının üzerindeki basınç bilgisi kaynak terim olarak ses yayılım denklemine
gömülmüş ve FWH analojisi yardımı ile akustik alan çözülmüştür. Belli uzaklıklara
yerleştirilmiş olan mikrofonlar aracılığı ile dinleme yapılmış ve kayıt tutulmuştur.
Frekans alanında kayma gerçekleştiği için ölçeklendirme yapılmış ve ses basınç
seviyeleri test verisi ile karşılaştırılmıştır. Doğrudan çözüm tekniği oldukça tutarsız
sonuçlar vermesine karşın FWH analojisinin çıktıları test ile örtüşmektedir.
Bir sonraki aşamada, belli bir hızdaki akışa tabi tutulan yağmur oluğu üzerinde zamana
bağlı değişen basınç bilgisi hidro/aerodinamik doğrulama sürecinde elde edilmiş ve
kaynak bilgisi olarak akustik çözücüye taşınmıştır. Hibrit Lighthill tekniği ile sayısal
modelleme gerçekleştirilerek akustik spektrum elde edilmiştir. Sonuçların tatminkar
doğrulukta olduğu gözlemlenmiştir.
Buraya kadar elde edilen birikim, VP1304 pervanesinin kavitasyon tüneli içinde
çalışırken üç adet hidrofon yardımıyla algılanan gürültüsünün modellenmesinde
kullanılmıştır. Hesaplamalı akışkan benzetimi ile akustik çözümleme hibrit olarak
birbiriyle ilişkilendirilmiştir. FWH analojisi tercih edilerek sonuca gidilmiş ve Hızlı
Fourier Dönüşümünden (FFT) faydalanılarak kanat geçiş frekansları ve harmonikleri
ortaya konmuştur. İkinci algılayıcıya ait birinci harmonik bilgisi büyük oranda ayrışma
gösterirken, algılayıcılardaki ikinci ve üçüncü harmonikler tatmin edici çözünürlükte
hesaplanmıştır. Kavitasyon tüneli duvarlarının ölçüm yapılan alana yakın olması ve
ses yansımalarının etkisi ile sinyal verisinin baskılanması sonuçlara etki edebilecek
olumsuz bir faktör olabileceği değerlendirilmiştir.
Hidrodinamik ve akustik doğrulamalar sonucunda sualtı aracı üzerinde hidroakustik
çalışma gerçekleştirilmiştir. Jenerik bir yapıya sahip olan sualtı aracı modeli iki adet
ters yöne farklı devirlerde dönen pervaneden ve dümenlerden oluşmaktadır. Yapıların
birbiri ile etkileşim halinde çalışıyor olması ve basınç etkileşimlerinin yoğun
yaşanması akustik modellemeyi zorlaştıran unsurlardır. Bu nedenle LES ile üç boyutlu
zamana bağlı ikinci dereceden akış analizi gerçekleştirilmiştir. Yine daha önce söz
edildiği gibi Kayar Ağ yöntemi sayesinde pervanelerin dönmesi modellenebilmiştir.
FWH ve Lighthill benzeşimleri hibrit olarak hidrodinamik kaynaklara iliştirilmiş ve
neticede akışkan ortamındaki ses yayılımı bulunmuştur. Gövde ve pervaneler için ayrı
ayrı spektrum dağılımı, ses yönelimi ve akustik iz sınıflandırması yapılmıştır. Gürültü
kaynaklarının nereden gelebileceği ile ilgili sanılar ve değerlendirmeler yapılmıştır.
Vibroakustik çoğu uygulamada baskın gürültü olarak karşımıza çıktığı için sualtı
aracına gürültü yapabilecek yapay kuvvetler uygulanmıştır. Doğrudan yapısal ve
akustik çözüm birbiri ile ilişkilendirilerek sistemdeki titreşimin neticesinde ortamda
oluşabilecek gürültü karakteristiği bulunmaya çalışılmıştır. İşlemci ve bellek
kapasitesi Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) uygulamalarında oldukça önemli olduğu
için en yüksek frekans seviyesi 2 kHz civarına sınırlanarak sonuca gidilmiştir. Farklı 
frekanslara ait genlikler oktav banttan faydalanılarak bulunmuş ve orta bantta oldukça
yüksek genlikler gözlemlenmiştir. Bu nedenle keyfi oluşturulmuş olan yapay titreşim
verisine ait tahrik deplasmanlarının yüksek mertebede seçildiği sonucuna varılmıştır.
Hidroakustik ve vibroakustik olarak alıcı noktalarında gürültü tayini yapılabildiği için
dijital sonar tasarımında bu bilgilerden faydalanılarak gürültü benzetimi yapılmıştır.
Belli koordinatlarda bulunan iki adet kaynaktan, keyfi seçilmiş düzlemsel sonar dizini
üzerine planar ses dalgası gönderilmiş ve sinyal yönlendirmesi yapılarak
hüzmelendirme ile sesin geliş yönü tayin etmek için algoritma geliştirilmiştir. Gelen
sinyalin istenilen doğrulukta yönü tayin edilebildiğinden sualtı aracının gürültü verisi
üzerinde çalışılmış ve geliş yönü akustik iz bilgisinden bulunmaya çalışılmıştır. En
yüksek frekans limitlendiği için sonar boyutları büyütülmek zorunda kalmış ve 3 kHz
civarında geleneksel yöntemlerle faz kaydırmalı huzmelendirme tekniğine
başvurulmuştur. Dijital sonar tasarımı herhangi bir donanım elemanı temelli
oluşturulmamış huzmelendirme algoritması ve sinyal işleme üzerine odaklanılmıştır.
Hibrit olarak elde edilmiş hidro-vibroakustik bilginin sonar tasarımı için sinyal girdisi
olarak kullanılabileceği ve oluşturulmuş huzmelendirme algoritmasının su altı aracının
geliş yönünü büyük doğrulukla saptamada faydalanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, using numerical solvers, the hydroacoustical and vibroacoustical
calculations are performed for a generic underwater vehicle and its propulsion system.
Sound pressure level, sound directivity, acoustical spectrum and acoustical patterns
are investigated with the aid of a finite volume method and hybrid acoustical analogies
such as Lighthill, Curle and Ffowcs Williams Hawkings (FWH) method. In order to
validate these calculation tecniques, the results are compared with test cases in which
pressure data was obtained using pressure transducers and microphones. Due to the
cost and time requirements, Computational Fluid Dynamics (CFD) codes are exploited
in that the analyses are performed to obtain the accurate solutions as much as possible.
Although experimental tests are trustworthy for many cases, they also consist
uncertainties and, thus, a special afford was given in certain applications to keep test
errors in a margin.
In order to tune the CFD tools for the analysis of new designs, the solver settings and
preferences in software should be validated against experimental results obtained in
thefacilities which are arranged for almost similar applications. So as to determine
proper solver type, discretization schema, mesh size and turbulence model, the
validations are performed in two step, namely hydro/aerodynamical calculations and
acoustical solutions. A single propeller VP1304 on an inclined shaft was simulated,
which is subjected to an inhomogenous flow at different rotation rates and inflow
velocities. The thrust, torque and efficiency curves have been obtained from the
literature. Regarding to these testcases, Large Eddy Simulation (LES) has been
implemented to solve turbulence quantities and filter large eddies in equations. The
propeller rotation is simulated using sliding mesh technique in which the mesh is
dynamically rotating at a specified time step. Spatial discretization with tetrahedral
unstructured mesh is generated on fine cells at three dimensional flow domain. In the
testcase of numerical study, propeller is located at center of the computational domain
with boundaries set as the velocity inlet, pressure outlet, symmetry and no slip wall
conditions. Optimum mesh size is determined on the basis of both computing time and
spatial resolutions resulted for different mesh cases. The rotation of propeller is
achieved by using moving reference frame in which flow is circulated around axis
instead of rigid body rotation. Discretization scheme was second order. Thrust and
torque results in experiment of testcases are taken into account and compared with
those of numerical outputs. They are matching well in the region of on- and off-design
conditions with a maximum error percentage of 8. Thus, it is validated that propeller
attached on an aft body of an underwater vehicle can be simulated with high accuracy
in an inhomogenous flow.
A numerical calculation on a raingutter is performed in order to compare pressure data
obtained in the numerical calculations with the data from the experimental case.
Boundary layers are generated fine enough that y+ value is lower than three. The same
parameters and solver settings in the propeller calculation are implemented in this case.
The nondimensionalized pressure data obtained at different sensor around raingutter
shows that the results are matching sufficiently good with the test except for one
pressure sensor. The discrepancy on that sensor is found around fifteen percent. It has
been shown that numerical simulation can be accurately obtained for the flow around
underwater vehicle, which has large pressure gradients and pressure stagnation point.
Besides, the pressure data obtained by the farfield sensor are used as an acoustical
testcase for the validation of acoustical calculations.
The turbulent scales of hydrodynamics and the large wavelengths of sound
propagation are well different from each other. Therefore, the calculation of sound
propagation is not trivial in engineering application where Direct Numerical
Simulation (DNS) is required while obtaining the pressure at each point in the flow.
Hence, DNS is not applicable to most industrial flows because of necessity of high
computing power. Instead, the flow solutions with a high mesh and low time step can
be exploited with an acoustical analogy formulation in a hybrid hydro/vibroacoustical
study.
In order to attain accurate results in acoustical solutions, validations are performed
using available experimental data on sound propagation at the nearfield and farfield.
The mesh cell size, boundary conditions, hybrid acoustic solver are investigated
through some testcases, as for example flow around cylinder, farfield sound
propagation through raingutter, pressure pulses resulted from single propeller VP1304.
In those cases, monopole, dipole and quadrupole source terms are attained from CFD
calculations to couple them with acoustical solutions.
The results of the hybrid noise prediction method are presented here to show the
acoustical properties of a three-dimensional flow around a cylinder. Although
investigation of the acoustical spectrum around a cylinder is a simple case, it shows
the potential of the method of coupling the flow sources and acoustical formulations.
Besides, Direct Method (DM) and FWH analogy are compared with respect to the
spectrum predictions. In this test-case, an unsteady LES solver which is coupled to a
wave propagation model based on FWH acoustic method and DM is used to predict
the far-field spectra of flow over a cylinder. The flow-generated sound sources
(monopole, dipole, quadrupole) are calculated to examine the suitability of the LES
methodology. The results show strong attenuation of turbulent structures occurring in
the far-field. They also indicate that it is not so easy to capture the small scales by
using the LES formulation. On the other hand, although the number of samples used
in Fourier transformation is not sufficiently high, the harmonics of the pressure waves
are well matched, and the amplitudes of sound pressure levels are in good agreement
with the peak values in the low end. The only shortcoming in the present computational
setup was the mesh resolution in the far-field which is apparently not enough to capture
the fine turbulent scales accurately at remote locations.
A testcase in the literature about thin backward facing elbow was mounted on a flat
plate and sound pressure signal was measured at a distance in the test setup. The
pressure was presented at the axial locations with the intervals to observe a consistency
with measured flow data. Except for the locations just after the rain-gutter where strong
separations and large scales occur, the pressure coefficients are in good agreement. 
Thus, the acoustic information in time domain can be accepted as accurate to evaluate
spectrum range. It is concluded that there is no specific vortex street visible and, thus,
the broadband noise is apparent in spectrum range. The results from numerical model
do not precisely follow the test data at the mid region, though they overlay each other
at the lower and upper spectral bands.
In the other testcase, the propeller-induced pressure pulses at the three sensor locations
were measured in the cavitation tunnel by Potsdam University. The blades produced a
source, which was obtained from the flow calculations over one revolution. First three
harmonics were predicted in frequency domain. The significant issue is that the overall
BPF (Blade Passing Frequency) level is related to the monopole terms resulting from
the movement of blades in the flow domain. Additionally, the dipole terms are
contributing from the dynamic loading on the blades. In this study, the first three
harmonics of the fluctuations were investigated and compared with respect to those of
the experimental data. It is clear that for non-cavitating cases, the calculations seemed
to underpredict the harmonics observed in the experiments. The first and second
locations were close to the blade tip and, therefore, the amplitudes of the fluctuations
are much higher. Except for the first harmonic of the second sensor, the results seem
to be matching well with test data. The determining factors on those pulses are mainly
the blade passing rates and pressure dominated dipole sources on the moving surfaces.
The third harmonic was difficult to distinguish for all receivers in the CFD data.
The generic underwater vehicle body with a 5 meters length was supposed to be
propelled by the counter rotating propellers (CRP), which rotated with a specific
design rpm. The vehicle speed was 15.42 m/s while the CRP with 7-bladed forward
and 5-bladed aft propeller was rotating at 600 rpm and 550 rpm, respectively. For that,
an unstructured tetrahedral mesh was generated with around 20 million cells with 8
layers attached on the blade surfaces. Pressure based LES calculations were
implemented using similar schemes as before. The time required to establish a
converged solution at one revolution step was around 2 minutes in real-time which
takes 0.6 seconds in simulation time to complete 5 revolutions. The time step-size was
selected around 2.77E-04 sec in order to achieve frequency range up to 1800 Hz
maximum where the resolution of bandwidth was around 1 Hz. The sound pressure
level from pressure transducers located at different locations, sound directivity around
vehicle, acoustical pattern is investigated by hydroacoustical calculations. The
contributions of different vehicle sound source on the spectrum are observed and
classified with respect to their frequency levels. Regarding to the spectrum of the CRP
system, the blade passing frequency, which is the dominant characteristic in spectral
density of the rotating system, was well represented. The harmonics and tonal noises
were also clearly identified in the low band but, since the length scales of the sound
and the turbulence are fairly separated, the far-field acoustics at higher frequencies
than 1800 Hz could not be properly resolved with the hybrid approach used in the
present investigation. The calculations showed that the spectra for the body and the
propeller were separately resulted from feeding into the FWH formulations. Moreover,
contributions of the rudder, the cap, the hub, the blade tip on the noise were examined
using power spectral density.
On the other hand, vibroacoustic is very dominant for the vehicle-propagated sound.
Therefore, some synthetic excitations of displacement are produced representing
different types of failure on bearings and misalignment on shaft. Structural response
of those generated excitations are determined directly coupled with acoustical
solutions. Without considering the mode shapes, acoustical velocity on the excited 
surfaces are used as a boundary condition in the formulation of sound propagation
mechanism. Moreover, the vibroacoustical characteristics are illustrated in the octave
band spectrum which shows that there are high amplitudes in the most of the frequency
range. Therefore, it might be concluded that synthetic displacements are so high that
they can not be damped in structural modes. On the other hand, damping is not
modeled in the simulation process, which might be the reason of high amplitude peaks
appeared in high frequency ranges.
In terms of digital sonar design, CFD and acoustical calculations are both used to
simulate the acoustic source which has a specified orientation. The main aim of the
design is to build algorithm based on conventional beamforming method while
considering all the required digital signal processes. At a starting point, two types of
simple sound wave from different sources is sent to planer sonar array. With the aim
of orientation detection of the underwater vehicle, beamforming algorithm is built and
tested with those simple sound waves. The high accuracy on the target orientation has
been observed in the sonar simulations. The design is, however, limited to the
consideration of the physical aspects and the beamforming algorithm coupled with the
numerical hydro/vibroacoustical simulations without considering electronical
subparts. The filtering, signal conversions and wave vectors are processed in the range
of 3 kHz due to the limited capacity of the hydrodynamical calculations. However, the
algorithm would be more efficient at the higher frequency ranges by decreasing the
sonar size and the damping the sublobes in the beamforming. By this way, the sound
source might be replaced by a real sonar data or with the CFD pressure signal in the
higher frequency range obtained with a much lower time-step size.