Dört kuadrantlı pervane açık su hidrodinamik performans verileri ile gemi ileri-geri öteleme hareketinin pratik hesabı
A practical approach to compute ships' surge motion utilizing four-quadrant propeller hydrodynamic performance
Yazar: MAHMUTCAN ESENKALAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TANER ÇOŞGUN ; PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Gemi sevki geleneksel olarak, geminin ileri yönde hareket ettiği durumları ve bu hareket sırasında pervanenin düzenli olarak dönüşünü odak noktasına alır. Bununla birlikte, doğrusal öteleme hareketi yalnızca ileri yönde sınırlı değildir; ani kalkış, ani durma ve tam geri hareketleri de geminin doğrusal öteleme hareketinin bir parçasıdır. Bu manevralar, sadece geleneksel gemi operasyonlarının bir parçası değil, aynı zamanda önceden belirlenmiş bir konuma ulaşmak için insansız gemilerin dinamik konumlandırma, hedef izleme ve otopilot operasyonları için de çok önemli bir rol oynamaktadır. Manevra senaryoları arasındaki fark geminin ilk hızından ve pervanenin dönüş yönünden kaynaklanmaktadır. Geleneksel manevra modelleri, pervanenin bahsedilen diğer senaryolardaki dinamiklerinin eksikliği nedeniyle tam ileri manevra durumu dışındaki hareketleri ele alamaz.
Bu tez çalışmasında, yukarıda bahsedildiği üzere dört farklı manevra durumundaki gemi performansı değerlendirilmiş, temelinde dört kuadrantlı pervane hidrodinamik performansını ve gemi direnç test sonuçlarının kullanıldığı ve gemi hızı ile konumunu zaman alanında pratik bir şekilde simüle etmek için SMot4QP olarak adlandırılan kurum içi bir kod geliştirilmiştir. Geliştirilen kodun doğruluğunu değerlendirmek için elde edilen sonuçlar iki farklı sevk modelinin (Ayrıklaştırılmış pervane yöntemi ve gövde kuvveti yöntemi) kullanıldığı kendinden tahrikli free-running HAD simülasyonlarıyla karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar model ölçekteki DARPA Suboff denizaltısı ve DTC Post-Panamax konteyner gemisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. URANS HAD analizleri dinamik overset çözüm ağı yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, hareketli ve sabit arka plan yaklaşımları, çözüm performansını karşılaştırmak için HAD simülasyonlarına uygulanmıştır. Simülasyonlar sırasında denizaltı tek serbestlik derecesi ile sınırlandırılırken, konteyner gemisi dört serbestlik derecesine sahiptir. Dört farklı manevra senaryosuna uygun gemi başlangıç hızı ve pervane
dönüş hızı belirlenmiş ve free-running simülasyonları gerçekleştirilmiştir.
Sonuçlar, DARPA Suboff denizaltı modeli için tüm manevra durumlarında oldukça iyi bir uyum göstermiştir. Bununla birlikte, DTC konteyner gemisi için yapılan değerlendirmede, özellikle ani durma ve tam geri manevralarında HAD ve SMot4QP arasındaki farkın diğer senaryolara kıyasla oldukça belirgin olduğu gözlemlenmiştir.
Geliştirilen kodun sonuçları, free-running HAD simülasyonlarıyla kıyasla çok kısa sürede ve yüksek doğrulukta tahmin etmesi, büyük avantaj sağlamaktadır ve kodun kullanımını tercih edilir hale getirmektedir.

Abstract:
Ship propulsion traditionally focuses on situations where the ship is moving in the forward direction and the regular rotation of the propeller during this movement. However, surge motion is not limited to the forward direction; crash-ahead, crash-back and astern are also part of the ship's surge motion. These maneuvers are not only part of conventional ship operations, but also play a crucial role in dynamic positioning, target tracking and autopilot operations of unmanned ships to reach a pre-determined position. The difference between maneuvering scenarios is due to the initial speed of the ship and the direction of rotation of the propeller. Conventional maneuvering models cannot handle motions other than straight-ahead condition due to the lack of dynamics of the propeller in the other mentioned scenarios.
In this study, an in-house code, shortly named as SMot4QP, has been developed to evaluate ship performance in four maneuvering conditions as mentioned above, based on hydrodynamic performance of four quadrant propellers and ship resistancetest results, and to simulate ship speed and position in time domain in a practical way. To assess the accuracy of the developed code, the obtained results are compared with self-propelled free-running CFD simulations using two different propulsion models (Discretized propeller method and body force method). The simulations are performed using the model-scale DARPA Suboff submarine and the DTC Post-Panamax container ship. URANS CFD analyses have been conducted utilizing the dynamic overset grid approach. Furthermore, moving and fixed background approaches are implemented to the CFD computations to compare the solution performance in terms of the computation time and efficiency. During the computations, the submarine is constrained to one degree of freedom, while the container ship has four degrees of freedom. The ship initial speed and propeller rotation rate were determined for four different maneuver scenarios including straight ahead, crash-ahead, crash-back and astern, and the free-running simulations have been carried-out accordingly.
The results illustrated excellent agreement for the DARPA Suboff submarine model in all maneuvering conditions. Nevertheless, the assessment for the DTC container ship showed that the difference between CFD and SMot4QP is quite noticeable compared to the other scenarios, especially in the crash-back and astern maneuvers. 
The fact that the developed code predicts the results in a short time and with high accuracy compared to free-running CFD simulations provides a great advantage and makes the use of code preferable.