DARPA denizaltı modelinde derinliğe bağlı olarak değişen hidrodinamik manevra türevlerinin ve yatay stabilitenin incelenmesi
Investigation of hydrodynamic coefficients and horizontal stability in DARPA submarine model depending on depth
Yazar: FURKAN ÇAVDAR
Danışman: PROF. DR. ŞAKİR BAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Denizaltı aracı = Underwater vehicle ; Derinlik = Depth ; Hidrodinamik = Hydrodynamics ; Manevra = Manoeuver

Özet:
Bu tezde DARPA Denizaltı geometrisinin derinliğe göre değişen hidrodinamik manevra türevleri tespit edilmiş ve derinliğe göre değişen yatay stabilitesi incelenmiştir. Denizaltılar, seyir halindeyken dip ve yüzey (serbest yüzey) etkilerinden
kaçınılması tercih edilir. Denizaltıların genellikle radar tarafından tespit edilememe ve yakıt tasarrufu gibi nedenlerle derin sularda seyretmesi gerekir. Ancak denizaltılar her zaman bu koşullarda çalışamayacaklardır, çünkü taze hava gereksinimi ve bataryaların şarj edilmesi gibi sebeplerle şnorkel halde bulunmaları gerekmektedir. Bu nedenle
denizaltıların derinliklerde yüzeye yakın hareket ve manevra kabiliyetlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada su yüzeyine yakın derinliklerdeki seyir hareketlerinde oluşacak ilave direncin denizaltı performansına olan etkileri
araştırılmıştır. Havuz ve direnç testleri ile deneysel ve HAD analiz çalışmaları doğrulanmış, daha sonra DSM (DARPA SUBOFF MODEL) üzerinde yatay eksende gövde ve dümen geometrilerinin hidrodinamik katsayıları hesaplanmıştır. Bilindiği üzere, DARPA Denizaltı modeli derin suda yatay stabiliteye sahip değildir. Bu çalışmada, denizaltı modelinin periskop (şnorkel) seyri esnasında veya su yüzeyine yakın hareket ederken yatay stabilitesi 3 serbestlik dereceli olarak tespit edilmiştir. Öncelikle, sistemin matematik modeli hakkında bilgi verilmiş ve denizaltı için ana büyüklükler ve boyutsuzlaştırma terimleri paylaşılmıştır. Denizaltı modeli, üç boyutlu olarak takıntılarıyla birlikte oluşturulmuştur. Üç boyutlu modellerde DARPA tarafında geliştirilen geçen kıç takıntısız model ve kıç takıntılı model kullanılmıştır.
Denizaltı stabilitesi ve hidrodinamik manevra türevleri tespit edilirken farklı yüksekliklerde yanal öteleme kuvvetine ait doğrusal katsayılar ve savrulma açısal momentine ait doğrusal katsayılar kullanılmıştır. Farklı derinlikler 1.1D, 2.2D, 3.3D ve 6D olarak seçilmiştir. Bahsi geçen katsayılar hesaplamalı akışkanlar dinamiği programıyla çeşitli sistematik analizler yapılarak elde edilmiştir. Hesaplamalı analizlerde gerekli doğrulama ve geçerleme çalışmaları da yapılmıştır. Doğrulama çalışmalarında ağdan bağımsızlık çalışması, hacim belirleme çalışması, ortalama Reynolds Navier-Strokes türbülans modelleri karşılaştırması, analiz adımı karşılaştırması, analiz süresi karşılatırması gibi çeşitli analizler yapılmıştır. Analiz doğrulamaları yapılırken üç boyutlu geometrik modele ait manevra deneysel verileri kullanılmış ve yukarıda da belirtilen takıntısız ve takıntılı kıç olmak üzere iki farklı geometri modeline göre analizler değişik derinliklerde karşılaştırılmış, yüzde farklar olarak ifade edilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde elde edilmesi planlanan hidrodinamik türevler boyuna kuvvet katsayıları, yanal kuvvet katsayıları ve savrulma moment katsayıları olarak belirlenmiş olup doğrusal modelde X0, Xv, Xd, Xẟ, Yv, Yr, Yẟ, Nv, Nr ve Nẟ katsayılarının belirlenmesi amaçlanarak hidrodinamik model oluşturulmuştur. Farklı derinliklere göre elde edilen hidrodinamik türevler ile yatay stabilitenin tespiti yapılmıştır. Yatay stabilite tespiti dışında dümen kuvvetlerinin etkisini modele eklemek için dümen kuvvet ve moment katsayıları tayin edilmiştir. Denizaltı modelinin, su yüzeyine yakın seyir durumlarında yatay stabiliyete sahip olduğu ve 4.6D derinlikten itibaren ise yatay stabilitesini kaybettiği bulunmuştur. Daha sonra denizaltı modelinin su yüzeyine yakın manevra performansını anlamak için denizaltı modelinin farklı derinliklerde elde edilen hidrodinamik türevlerine eğriler türetilerek üç serbestlik dereceli manevra simülasyonuna adapte edilmiştir. Denizaltı modelinde yatay stabilite için bu düzlemdeki kararlılık derecesi gereklidir.
Bu problem doğrusal sistem için sayısal olarak çözülmüştür. Tasarlanan model için geçmişte yapılmış uygun çalışmalar mevcuttur. Bu tezde de bu çalışmalar kullanılarak doğrulama ve gerçekleme analizleri yapılmıştır. Doğrusal modelin hidrodinamik katsayı seti, HAD analizlerinden elde edilmiş ve üç serbestlik dereceli manevra simülasyon yönüne bağlı olarak işlenmiştir. Denizaltı modelinin değişen derinliklerine göre farklı katsayılara sahip olduğu görülmektedir.
Manevra simülasyonunda statik ve dinamik manevra cevapları farklı derinliklere göre incelenmiştir. Dinamik manevra analizleri neticesinde hız azalması ve dönme çapı test değerleri elde edilmiştir. Bahsi geçen testler sabit itki kuvveti altında yapılmıştır. Testler sonucunda görülmektedir ki denizaltı su yüzeyine yaklaştıkça hidrodinamik direnç artmakta ve sabit itki altında daha fazla hız azalması ile karşılaşmaktadır. Ayrıca yüzeye yakın seyir halinde yanal öteleme hızına bağlı olarak denizaltının manevra performansında farklılık gözlenmektedir. Testler sonucunda denizaltı su
yüzeyine yaklaştıkça hidrodinamik direncinin arttığı ve sabit itme altında daha fazla hız düşüşü ile karşılaştığı görülmüştür. Ayrıca, yüzeye yakın seyir sırasındaki yanal öteleme hızına bağlı olarak denizaltının manevra performansında da bir fark gözlemlenmektedir. Bu durum, su üstü platformlarının manevra performansı ile kıyaslanmamalıdır. Ancak bu tez çalışmasında bilgi vermek amacıyla denizaltı modeli su üstü platformlarının
kriterlerine göre karşılaştırılmıştır. Denizaltı modelinin bu kriterlerden bazılarına uyduğu, bazılarıyla uyumlu olmadığı görülmektedir. Tezin eklerinde matematiksel modelin türetilmesi verimiştir. Ayrıca tezde deney verilerinde kullanılan ancak tezde yer almayan Y ve N eksenleri ile ilgili değerler de ekler bölümünde paylaşılmıştır. Daha sonra tez çalışması tamamlanmıştır. Yatay stabilite sayısının kararlı olduğu bölgede, denizaltı manevra performansı ile ters
ilişki içinde olduğu bilinmektedir. Bu sebeple çalışmada artan yatay stabilite katsayısına göre yatay stabilitenin kararlı olduğu bölgede manevra performansı değerlendirilmiş olup daha önceki çalışmalara uygun, yatay stabiliye sayısı ve manevra performansı arasındaki ilişki gösterilmiştir. Yatay stabilitenin aşırı kararlı ve kararsız olduğu bölgelerdeki durumların değerlendirilmesi de çalışmanın konularındandır. Sonuç olarak, DARPA denizaltı modeline ait farklı derinliklerde üç serbestlik dereceli sistem için doğrusal manevra türevleri ve dümen katsayıları belirlenmiştir. DARPA denizaltı modeli için yatay stabilite katsayısı hesaplanmış ve yüzeye yakın seyir halinde yatay stabilitenin mevcut olduğu bulunmuştur. Ayrıca, nodelin yüzeye yakın derinliklerde seyir halindeyken manevra performansı incelenmiş ve farklı derinliklere göre gerekli karşılaştırılmalar verilmiştir

Abstract:
In this thesis, hydrodynamic maneuver derivatives of DARPA Submarine moving at different depths were determined and horizontal stability with different depths was investigated. Submarines generally need to navigate in deep waters for reasons such as not being able to be detected by radar and saving fuel. It should avoid free water surface effects while cruising. However, submarines will not always be able to operate in these conditions. Therefore, it is necessary to determine the movement and maneuvering capabilities of submarines at depths near the surface. The effects of additional wave resistance (resistance due to the free water surface effects) on the submarine and rudder performance, which will occur during cruising movements at depths close to the free surface, were investigated. The experimental and CFD analysis studies in the literature were confirmed. Then the hydrodynamic coefficients of the submarine hull and rudder geometries were calculated on the horizontal axis on the DSM. As it is known, the DARPA Submarine model does not have a horizontal stability in deep water. In this study, the horizontal stability of the submarine model during the periscope (snorkel) depth course or while moving close to the free water surface was determined as 3 degrees of freedom. First, information about the mathematical model of the system has been given and the main dimensions and non-dimensionalization terms for the submarine have been shown in the thesis. The submarine model was created with its appendages in three
dimensions. In three-dimensional models, the model with and without the stern appendages were used in the simulations.
While determining the submarine stability and hydrodynamic maneuvering derivatives, linear coefficients of lateral translational force and linear coefficients of yaw angular moment were used at different depths. These depths were chosen as 1.1D, 2.2D, 3.3D and 6D in the analysis. The maneuver derivatives were obtained by performing various systematic analyzes with the computational fluid dynamics program. Necessary validation studies were also carried out in computational analysis. In the validation studies, various analyzes such as network independence study, volume determination study, average Reynolds Navier-Strokes turbulence models comparison, analysis step comparison, analysis time comparison were all made. While verifying the analysis, the maneuvering experimental data of the model obtained
from literature were used, and the analyzes were compared at different depths according to the two different geometry models with and without stern appendages. They were also expressed as percentage differences. The hydrodynamic derivatives planned to be obtained in computational fluid dynamics analyzes were determined as longitudinal force coefficients, lateral force coefficients and yaw moment coefficients, as well as X0, Xv, Xd, Xẟ, Yv, Yr, Yẟ in the linear model. A hydrodynamic model was created with the aim of determining the Nv, Nr and Nẟ coefficients. Horizontal stability was determined with the hydrodynamic derivatives obtained according to the different depths. In addition to the horizontal stability, rudder force and moment coefficients were determined to include the effects of rudder forces
into the model. It has been found that the submarine model has a horizontal stability when cruising close to the water surface and loses its horizontal stability for depths greater than 4.6D. Then, in order to understand the maneuvering performance of the submarine model near the water surface, curves were derived (fitted) from the hydrodynamic derivatives of the submarine model obtained at different depths and adapted to the three-degreesof-freedom maneuvering simulation. For the horizontal stability in the submarine model, the degree of stability in the horizontal plane is necessary. It should be numerically solved for the correct system. For the designed model, studies were carried out in accordance with those given in the literature. Validation studies were carried out. The hydrodynamic coefficient set of the linear model was checked out and processed by CFD and detected by the directional coefficients. It is found that the submarine model has different coefficients versus its varying depts. In maneuvering simulation, static and dynamic maneuvering responses were investigated for different depths. Dynamic maneuvering responses can be listed as the
speed reduction and turning radius formation tests. The aforementioned tests were carried out under constant thrust. As a result of the tests, it is seen that the hydrodynamic resistance increases as the submarine approaches to the water surface and it has more speed reduction under constant thrust. In addition, a difference has been observed in the maneuvering performance of the submarine, depending on the lateral translational speed in the course of cruising close to the free surface. The maneuvering results of submarine studies should not be compared with those of surface platforms. However, in this study, the submarine model was compared to the criteria of the surface platforms to provide an insight, there is nothing more than. It is seen that the submarine model complies with some of these criteria and is not compatible with others. The appendices of the thesis contain the derivation of the mathematical model. In addition, the information about the Y and N axes, which were used in the verification data in the thesis but not included in the thesis, are also presented in the appendices section. Later, the thesis work was completed. It is known that in the region where the horizontal stability number is stable, it is inversely related to the maneuvering performance of the submarine. For this reason, in the study, the maneuver performance in the region where the horizontal stability is
stable according to the increasing lateral stability coefficient was evaluated and the relationship between the number of horizontal stabilizers and the maneuver performance was shown, in accordance with previous studies. Evaluation of the
situations in the regions where the horizontal stability is extremely stable and unstable is also one of the subjects of the study. As a result, linear coefficients and rudder coefficients were determined for the threedegree-of-freedom system at different depths of the DARPA submarine model. The horizontal stability number has been calculated for DARPA submarine model and it has been found that there is a horizontal stability when cruising near to the free surface.
The maneuvering performance of the model while cruising at depths close to the surface has been examined and given comparatively according to different depths.