Gemi pervanesinin hidro-akustik performansının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigaton of ship propeller hydro-acoustics performance
Yazar: SAVAŞ SEZEN
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR BAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Aeroakustik = Aeroacoustic ; Gemi pervaneleri = Ship propellers ; Hidroakustik yöntem = Hydroacoustic method ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Gürültü kontrolü ve tespiti sualtı akustik sistemlerinin performansları için giderek artan bir öneme sahiptir. Özellikle askeri alandaki teknolojik gelişmeler ile birlikte denizaltılara olan ilgi artmış ve böylece sualtı akustiği çalışmaları hız kazanmıştır. Sualtı akustik sistemlerinde gürültünün kaynağı çok farklı olmasına rağmen pervane tarafından üretilen gürültü sualtı sistemlerinin işleyişinde büyük öneme sahiptir. 
Gemilerde sualtı gürültü kaynağı temelde; makine gürültüsü, akış gürültüsü ve pervane kaynaklı gürültü olmak üzere alt gruplara ayrılabilir. Makine gürültüsü üzerine yapılan çalışmalarda ses yalıtım malzemeleri kaynaktan yayılan gürültüyü azaltmak için kullanılmaktadır. Akış tarafından kaynaklanan hidrodinamik gürültüyü azaltmak için uygun tekne tasarımları yapılmaktadır. Pervane kaynaklı gürültü ise gemilerde şüphesiz en baskın gürültüdür. Pervane gürültüsünü azaltmak özellikle denizaltı sistemlerinde geminin seyir yönü ve konumu gibi bilgilerin belirlenmesinde önem arz etmektedir. Bu sebepten dolayı pervane tasarımında hidrodinamik özelliklerin yanında akustik özellikler de dikkate alınmalıdır. 
Bazı ülkelerde akustik tasarım modern savaş gemilerinin en önemli karakteristiği olarak düşünülür. Sonar teknolojideki değişimler, savaş gemilerinin hızlı keşif yetenekleri modern gemilerin akustik karakteristiklerinin gelişmesinde önemli bir rol almıştır.  Pervane tarafından üretilen gürültü sualtı keşiflerinde kritik öneme sahiptir ve gemilerin hayatta kalabilirliğiyle yakından ilişkilidir. Pervane gürültüsü temelde kavitasyonlu gürültü ve kavitasyonsuz gürültü olarak iki farklı şekilde sınıflandırılır. Pervane gürültüsü basınç farkı sebebiyle oluşmaktadır. Pervane dört farklı yolla basınç dalgası üretir;
•	Pervane kanatlarının dönmesiyle suyun yer değiştirmesi
•	Pervanenin ön ve arka yüzleri arasındaki basınç farkı
•	Pervane önü ve arkasındaki kavitasyon kaynaklı ani basınç düşmesi
•	Kavitasyonun başlaması, gelişmesi ve sönmesi süreci
Belirtilen yollardan ilk ikisi kavitasyonlu ve kavitasyonsuz durumda ortaya çıkabilir fakat bunlar sadece kavitasyonsuz duruma ait etkilerdir. Son ikisi ise pervanenin kavitasyon deneyimi altında ortaya çıkar.  Ayrıca pervane gürültüsü pervane kanat yüklemesi kaynaklı, kalınlık kaynaklı ve türbülans kaynaklı gürültü olarak sınıflandırılır. Düşük Mach sayılarında türbülans kaynaklı gürültü ihmal edilerek toplam gürültü kanat yüklemesi ve kalınlık kaynaklı gürültü olarak hesaplanır. 
Akış tarafından indüklenen gürültü anlamına gelen aeroakustik çalışmaları ilk olarak 1878 yılında Strouhal tarafından silindir etrafında incelenmiştir. Bu çalışmada silindir etrafında rüzgârın sebep olduğu tonal gürültü dikkate alınmıştır. 1952 yılında akustik alanındaki önemli çalışmalar ise Lighthill tarafından yapılmıştır. Daha sonra akışın sebep olduğu gürültüye olan ilginin artmasıyla çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle NASA (National Aeronautics and Space Administration) 1962 yılında ilk akustik test labaratuvarını kurmuş ve bu alanda ihtiyaçları gidermek için çalışmalar yapmıştır. 1969 yılında ise Ffows Williams-Hawkings Ligthill'in çalışmasını genişletmiş ve günümüzde de yaygın olarak uzak alan gürültü tahmininde kullanılan çalışmaların temelini oluşturmuştur. 
Bu çalışma kapsamında DTMB4119 ve KP505 model pervanelerin etrafındaki akış ticari HAD yazılımı olan Star CCM+ programıyla sayısal olarak incelenmiş daha sonra pervanelerin akustik performansları tahmin edilmiştir. Gürültü tahminine başlanılmadan önce pervanelerin etrafındaki akış Navier Stokes denklemlerinin zamandan bağımsız sayısal olarak çözülmesiyle elde edilmiş, denklemleri ayrıklaştırma yöntemi olarak sonlu hacimler yöntemi (FVM) kullanılmıştır. Farklı ağ yapıları ve farklı türbülans modellerinde pervane etrafındaki akış için yapılan hesaplamalar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. 
Pervane etrafındaki akışın doğru bir şekilde çözülmesinden sonra uzak alan gürültü tahmininde kullanılan Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) formülasyonu kullanılarak farklı noktalara konumlandırılmış alıcılar yardımıyla akustik basınç değerleri zaman düzleminde hesaplanmış ve Fast Fourier Transform (FFT) fonksiyonu ile frekans düzlemine indirgenmiştir. Gürültü hesaplamalarında düşük Mach sayılarında problem ele alınmış ve kuadrupol kaynak gürültü terimi hesaplamalara dâhil edilmemiştir. 
Zamana bağlı olarak yapılan akustik analizler hem uniform hem de uniform olmayan akış şartlarında kavitasyonsuz durum için yapılmıştır. Gürültü analizi ilk olarak DTMB4119 model pervanesi için literatürde yer alan Seol ve diğ. (2002) sınır elemanları metodu (BEM) kullanarak yapmış oldukları çalışmayla kıyaslanmıştır. Ayrıca Bagheri ve diğ. (2015) ticari HAD yazılımı olan ANSYS Fluent ile yapmış oldukları çalışmadaki kavitasyonsuz haldeki gürültü değerleriyle de karşılaştırılmıştır. 
Akustik performans sonuçlarının literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmasından sonra DTMB4119 model pervanesi için farklı hız ve farklı devirlerde gürültü değerleri hesaplanarak devir ve hızın pervane akustik performans üzerine etkisi incelenmiştir. KP505 model pervanesinin ise farklı devirler için akustik performans sonuçları karşılaştırılmıştır.
Gürültü için bulunan sonuçlar aynı zamanda literatürde yer alan Brown, ICES ve Fraser tarafından önerilen ampirik formülasyonlarla da kıyaslanmıştır. Çalışmaların sonuçları, özellikle optimum çalışma şartlarında çalışacak pervanelerin hidrodinamik özelliklerinin iyi olmasının yanında akustik açıdan da en iyi şekilde dizayn edilmesi gerektiğini ortaya çıkarmıştır.

Abstract:
Noise control and detection has a gradually increasing importance for performance of underwater acoustic systems. Especially with technological developments on military fields, interest for submarines is increased and therefore underwater acoustic projects are accelerated. Although the resources of noise are very different in underwater acoustic systems, the noise which is generated from propeller has a great importance for underwater systems process. 
Underwater noise resources on vessels are mainly divided into sub-categories: engine noise, flow noise and noise generated by propeller. Noise isolation equipments are used to reduce the noise released by source on projects related to engine noise.  A proper hull design is made to decrease hydrodynamic noise, which is generated by flow. The noise of propeller is undoubtedly a dominant noise on vessels. Reducing the propeller noise is especially important to detect the vessels road and position. Because of this, not only hydrodynamic features but also acoustic features should be taken into consideration for propeller design.
Acoustic design is thought the most important characteristic of warships in some countries. Changing's on sonar technology and rapid discovery ability of war ships have considerably important role to enhance acoustic characteristics of modern vessels. The noise generated by propeller has critical importance for underwater discovery and it is also related to survivability of vessels. Propeller noise is mainly divided to two sub-categories: cavitation noise and noncavitation noise. Propeller noise occurs due to pressure difference. Propeller generates pressure waves via four different ways.
•	Displacement of water by rotating propeller blades
•	Pressure difference between front and back sides of propeller
•	Sharply pressure drop due to cavitation on front and backsides of propeller.
•	The process of beginning, developing and damping of cavitation.
The first two of the stated ways could occur both cavitation and noncavitation situation but these are just effects of noncavitation situations. Remaining ways occur under cavitation experience of propeller. In addition, propeller noise is classified as propeller loading, thickness and turbulence. On lower Mach numbers, by ignoring the noise originating from turbulence, the total noise is calculated as noises originating from propeller loading and thickness.
The aeroacoustics studies which mean induced noise by flow were firstly examined around cylinder by Strouhal in 1878. In that field, the tonal noise which was caused by wind around the cylinder was considered. In 1952, the important studies in acoustics field were studied by Lighthill. Then, the projects were accelarated by the increasing demand of flow induced noise. Especially NASA (National Aeronautics and Space Administration) established their first acoustic laboratuary in 1962 and proceeded projects to meet demands on that field. In 1962, Ffowcs Williams-Hawkings expanded Lighthill's study. 
In this field, the flow around DTMB4119 and KP505 model propellers is investigated by using Star CCM+ program which is commercial computational fluid dynamic software. Then the acoustic performances of propellers are estimated. Before beginning the noise estimation, the flow around propellers is solved by solution of Navier Stokes equations without time dependence and Finite Volume Method (FVM) is used for discreatization of equations. Calculations for different mesh configuration and turbulance models are compared with experimental results. 
Owing to non-linear form of governing equations, prediction of flow induced noise is quite difficult.
Firstly, suitable domain dimensions was determined by utilizing with reference studies and ITTC.  The flow around the DTMB4119 propeller was compared with experimental results by analysing as time independency. The flow around the model scale of KP505 propeller which is tested in Moeri model laboratory was analysed and compared experimental datas. Besides, hydordynamic analysis of DTMB4119, KP505 propellers were made and compare hydrodynamic results at different mesh configuration and turbulance models. Before noise analysis, DTMB4119 and KP505 propellers were analysed as time dependency and hydrodynamic results were compared with dimensionless thrust, torque and efficiency values which was analysed at time independency. After these results determined as accurate noise was analysed.
After the flow around propeller is solved properly, acoustic pressure datas are calculated on time domain by using FW-H formulation which predicts far field noise by the help of receivers that positioned different positions and these datas are degraded on frequency domain with FFT function. The problem is considered at lower Mach number and thus quadrapol induced noise term is disregarded for noise calculations. 
FVM method is calculated by using Star CCM+ program which is commercial computational fluid dynamic software. During the all study, density of water is chosen as 998,67 kg/m3 and dynamic viscosity is chosen as 0,001068 Pa.sn, reference pressure value is chosen 101325 Pa. Reference sound speed in water 1500 m/sn is taken. During the all studies numerical solution of the flow around propeller RANS equations are used as time independent, k-ε and k-ω are used as turbulence model and then results are compared with experimental results. To reach the acoustic results of DTMB4119 propeller between 0-500 Hz range, time step was chosen 2*10-4 sn and total analysis time was chosen 0,375 sn and this results were calculated according to exact revolution. By investigating convergence situation of analysis, inner iteration number was chosen as 12.
Acoustical analysis whose making depends on time are made for both uniform and nonuniform flow conditions and noncavitation conditions. Firstly, noise analysis was compared with studies in literature that study of Seol's Boundary Element Method and Mohammad Reza Bagheri's study under noncavitating conditions. After analysing the flow around the propeller, noise analysis was made, Navier-Stokes equations was solved as time dependency and turbulence model was chosen as k-ε at Bagheri's study. Equation discretization was made by FVM. Analysis was made with ANSYS Fluent that used for CFD software. In this study, domain dimensions, hdyrophone positions, propeller velocities and number of revolution values were chosen the same as Bagheri's study. Then results were compared each other. After successful results of DTMB4119, KP505 propeller acoustic prediction that has completely different geometry was made in same conditions.
After acoustical performance results are compared with other projects in literature, noise values are calculated with different number of revolutions and different velocities and also effect of velocity on propeller acoustical performance is investigated for DTMB4119. As for KP505 model propeller, acoustical performance results for different number of revolutions are compared. 
Acoustic results of DTMB4119 and KP505 were compared with Brown, ICES and Fraser empirical formulations. These studies has been come into view that not only hdrodynamic features but also acoustic performance features are very significant for optimum working conditions.