Gemi dalga sisteminin sınırlı bir yüzeyini kullanarak dalga direncinin belirlenmesi
Wave pattern resistance determined by using a surface-patch of free surface deformations
Yazar: SERHAD AYTAÇ
Danışman: PROF. ÖMER GÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Geminin sakin suda istenilen bir hızda hareket edebilmesi için ihtiyaç duyduğu kuvvet gemi direnci olarak isimlendirilir. Günümüzde bu kuvvet genel olarak motor ya da türbin vasıtasıyla elde edilmekte oradan da pervane ya da sujeti yardımıyla itme oluşturulmaktadır. Bu motor ya da türbinlerin istenilen kuvveti oluşturabilmek için ihtiyaç duydukları yakıt miktarı günümüzde son derece önem kazanmıştır. Bu sebeple geminin servis hızı gibi önemi hız değerlerinde ihtiyaç duyduğu kuvvet miktarının tasarım aşamasında bilinmesi ve o kuvvet seviyesinde optimum olarak çalışacak makine seçimi yapmak verimlilik açısından son derece önemlidir. 1850'li yıllardan beri bu sebeplerle geminin direnç miktarının tasarım aşamasında tahmin edebilme çalışmaları yapılmaktadır. 
Geminin toplam direnci genel olarak akışkanın viskozitesinden kaynaklı direnç bileşeni ve geminin etrafında ürettiği dalga sisteminin taşıdığı enerjinin sebep olduğu dalga-yapıcı direnç bileşeni olarak ikiye ayrılmaktadır.
Dalga direnç bileşenini tekne etrafındaki basınç dağılımının integre edilmesiyle bulunabileceği gibi, geminin etrafındaki dalga sisteminin taşıdığı enerjinin belirlenmesiyle de mümkündür.  
Enine ve boyuna dalga kesit yöntemleri bahsedilen ikinci tür yöntemlerin başında yer almaktadır. Bu yöntemlerde yöntemin türüne göre gemi hareketinin enine yada boyuna dalga sisteminden kesitler alınarak bu kesitlerin kesit alınan yön boyunca integrasyonu  sonucunda dalga direnç değerine ulaşılmaktadır. İkisininde kendine ait dezavantajları olmakla beraber bu çalışmada, öncesinde 2009 yılında Çalışal'ın üzerinde çalıştığı, yüzey alanı metoduyla bu dezavantajlar ortadan kaldırılmak istenmektedir.
Bu yöntemde kullanılan dalga direnci ifadesi dalga meyli ifadesi kullanılarak türetilmiştir. Dalga meyli dalga yüksekliğine göre çok daha çabuk sıfıra yakınsayan bir büyüklük olması sebebiyle çok daha kısa x mesafeleri için hesaplamalar yapılarak doğru sonuçlar elde etmek mümkündür. Yüzey alanı yöntemi de dalga meylinin bu özelliğini barındırması hasebiyle boyuna kesit metodunun taşıdığı kesme hatası düzeltmesinden kurtulunmuştur.
Bu çalışmada dalga-yapıcı direnç olarak ifade edilen direnç bileşenin tahmini noktasında yüzey alanı metodu (surface-patch) olarak isimlendirilen metod incelenmiştir. Bu yöntemle direnç hesaplanabilmesi için öncelikli olarak gemi etrafındaki dalga sisteminin belli bir alanının dalga yüksekliklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple bu çalışmada DTMB-5415 askeri model gemisi, KCS konteynır gemisi ve DTC konteynır gemisinin etrafındaki akış ticari bir HAD yazılımı olan Star CCM+ programıyla viskoz etkiler göz ardı edilerek çözülmüş ve dalga yükseklikleri elde edilmiştir. Bu dalga yükseklikleri yardımıyla yüzey alanı yöntemi kullanılarak boyutsuz dalga direnci katsayıları hesaplanmıştır.
Yöntemin doğrulanabilmesi için hesaplanan bu değerler litaratürde var olan model deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmanın sonucunda % 1 lere varan doğruluklar elde edlilmiştir fakat bu doğruluk mertebelerinin yakalanabilmesi için yüzey alanının konumunun özellikle y yönündeki ilk konumun çok dikkatli seçilmesi gereği görülmüştür. Bundan dolayı farklı Froude sayılarında değişken y1 (yüzey alanının boyutsuz y yönündeki ilk konumu) değerleri için araştırma yürütülmüş ve optimum y1 değeri saptanmaya çalışılmıştır. DTMB-5415 için farklı Froude sayılarında hesaplanan değerlerin Froude sayısıyla orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Bu sebeple uygun y1 değeri Froude sayısına bağlı bir grafik yardımıyla verilmiştir. Daha sonra KCS gemisinin servis hızında dalga direnç katsayısı değeri hesaplanmış ve DTMB-5415 için belirlenen optimum y1 değerine yakın bir değer olduğu saptanmıştır. Ancak DTC gemisinin servis hızında yapılan hesaplamada bulunan y1 değerinin önerilen y1 değerinden farklı olduğu görülmüştür bu da yöntemin güvenilirliği noktasında soru işaretleri oluşturmuş, farklı tip gemiler için uygun y1 değeri hesaplanmasında daha fazla ve derinlemesine çalışmaların gereğini ortaya çıkarmıştır.

Abstract:
Ship resistance is the force needed to move a ship at a desired speed in still water. Nowadays, this force is generally provided by diesel engines or turbines and converted into thrust by propellers or water-jets. These engines and turbines need fuel to create this force. In the present days, the amount of used fuel is so important. For this reason, ship's force needs on critical velocities, such as service speed, must be known for a first design phase. Therefore, main engine or turbine, should be selected to provide maximum efficiency. 
Ship total resistance is generally devided into two parts. One of the  resistance component comes from viscous effects and it is known as viscous resistance. The second one is the wave making resistance which is related to energy that is carried by the wave pattern created by ship.
Wave-making resistance could be determined mainly by means of two diffrent ways. One way is based on the integration of pressure distribution on the wetted surface of the ship hull. Second one is based on determination of energy carried by ship's wave pattern.
Transverse cut method and longitudinal cut methods are the well-known examples of these second kind methods. The idea in these methods is to calculate the energy which passes through a selected control surface – located either in in longitudinal or transverse direction. Both of them have disadvanteges. In order to eliminate these disanvantages, a surface-patch method was proposed by Çalışal et al. (2009). Thus, the aim of the present study is to investigate the surface-patch method in full detail by a series of case studies.
In this method, wave resistance term was derived from wave slope data instead of wave heights. Wave slopes of the wave system converge to zero quicker relatively as compared to wave hights. For this reason, it is possible to calculate the wave resistance with relatively smaller x (longitudinal) distances. Surface-patch method has this advantage.
In the present study, surface-patch method was employed to calculate the wave-making resistance. Firstly, wave hights within a selected surface patch of the wave pattern around the ship must be determined for resistance calculations. For this purpose, the flow around the DTMB-5415 model ship, KCS container ship and DTC container ship were solved using Star CCM+ CFD software  in inviscid mode and accordingly wave heights were determined. Subsequently, wave resistance coefficient was calculated by the surface-patch method using the wave calculated. 
These calculated values were compared with model test resistance data, which are obtained from open literature, for validation. Around 1 percent accuracy was attained, but to get this accuracy; location and dimensions of surface patch must be selected carefully. Consequently, in order to figure out the sensitivity of the dimensions of the surface patch to the Froude number, a search was carried out by testing the effect of several y1 (first location on y direction of surface patch) locations on the wave resistance. The search showed that y1 values are required to be increased as the Froude number increases for the DTMB-5415 model ship. When considering calculated values of KCS and  DTMB 5415 at the similar Froude number, we observed that the results point out almost the same y1  value but DTC value stays away from these values. This discrepancy shows some doubt about surface-patch method. A deeper study is necessary to arrive at a sound conclusion.