Su altı araçları için yeni geliştirilen hidrodinamik modelleme yöntemleri kullanılarak otonom bir su altı aracının hidrodinamik karakteristiğinin incelenmesi
Investigation of hydrodynamic characteristic of an auv by using new developed hydrodynamic modeling techniques for underwater vehicles
Yazar: SERTAÇ ARSLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR ; PROF. DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Hava ve Uzay Hekimliği = Air and Space Medicine

Özet:
İnsansız su altı araçları  günümüzde farklı amaçlar için kullanılabilen, sahip oldukları görevler ve alt sistemler sebebiyle farklı mühendislik disiplinlerini bir arada bulunduran kompleks sistemlerdir. 
Bir su altı aracının hangi amaç için kullanılacağına göre ilk olarak aracın teknik isterleri belirlenir. Aracın teknik isterleri sistem ve alt sistem seviyesinde ayrıklaştırılarak her bir sistemin kendi içinde tasarım gereksinimleri ortaya çıkmaktadır. Belirlenen sistem seviyesi ve alt sistem seviyesi gereksinimler doğrultusunda tasarlanacak bir su altı aracında farklı mühendislik disiplinlerin birbirleri ile kapalı çevrim iletişim halinde olmaları gerekmektedir. Bu süreçte su altı araçlarının sistem seviyesinde değerlendirilebilecek en temel mühendislik alanı hidrodinamiktir. 
Bir su altı aracına tanımlanan görevin yerine getirilmesinde hidrodinamik bölümü çok etkin bir rol oynamaktadır. Su altı aracının sahip olması istenilen özelliklere göre hidrodinamik tasarım belirlenir ve özgünleştirilerek, iyileştirilir. Hidrodinamik tasarımın nihai hale gelebilmesi için, o tasarımın hidrodinamik karakteristiğinin ortaya çıkartılması, hidrodinamik performansının belirlenmesi ve bu performansın tasarım gereksinimlerini karşılayabildiğinin gösterilmesi gerekmektedir. Bu iteratif sürecin içerisindeki en önemli  aşamalardan biri aracın hidrodinamik karakteristiğinin ortaya çıkartılırken yapılan hidrodinamik katsayıların hesaplama işlemidir. 
Hidrodinamik katsayılar aracın hidrodinamik karakteristiğini belirleyen en önemli değerlerdir. Şöyle ki hidrodinamik performansın belirlenebilmesi ve tasarıma geri besleme yapılabilmesi için o aracın hidrodinamik katsayılarından oluşan veri tabanının oluşturulması ve performans hesaplamalarına beslenmesi gerekmektedir. Hidrodinamik tasarım da ancak, performans hesaplamaları sonucunda kabul&red edilebilir veya iyileştirilebilir. Dolayısıyla, hidrodinamik katsayıların doğru bir şekilde elde edilmesi, gerekli tasarımın yapılabilmesi ve istenilen performans karakteristiğine sahip olunabilmesi açısından oldukça önemlidir. 
Hidrodinamik katsayılar genel olarak üç farklı yöntem ile elde edilmektedir. Bunlar; deneysel yöntemler, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemleri ve ampirik yöntemlerdir. 
Deneysel yöntemler en güvenilir ve sağlıklı sonuç veren yöntemler olmasına rağmen, ciddi bir maddi kaynak gerektirmeleri, kurulumu ve kullanımı için de ciddi bir iş gücü gerektirmeleri sebebi ile her zaman tercih edilememektedir. Dolayısıyla deneysel yöntemler yerine alternatif yöntemler olan HAD yöntemleri ve ampirik yöntemler hidrodinamik tasarım ve analiz çalışmalarında kullanılabilmektedir.
Bu çalışmada da, otonom bir su altı aracının hidrodinamik katsayıları HAD yöntemleri ve ampirik yöntemler kullanılarak hesaplanmıştır.
Yapılan çalışmada öncelikli olarak su altı dünyasının özelliklerinden bahsedilmiş ve su altı dünyasında hareket eden cisimler için kullanılan hareket denklem setleri tanıtılmıştır. Bu denklem setleri kullanılarak hangi hidrodinamik katsayıların bizim sistemimiz için önemli oldu ve hesaplanması gerektiği incelenmiştir. Ardından otonom bir su altı aracı için hidrodinamik katsayılarının hesaplanması ve veri tabanı oluşturma işlemlerine başlanmıştır. 
Kullanılacak hesaplama yöntemlerinin bizim sistemimiz için doğru çalıştığından emin olmak adına, denek taşı çalışmaları yapılmış ve kullanılacak hesaplama modelleri doğrulanmıştır.
Doğrulanan HAD ve ampirik hesaplama yöntemleri kullanılarak otonom su altı aracının altı serbestlik derecesinde hidrodinamik veri tabanı oluşturulmuştur. 
Oluşturulan veri tabanı kullanılarak aracın stabilite ve performans karakteristiği incelenmiş ve tasarım ile ilgili yorumlara varılmıştır.
Ayrıca havacılık dünyasında pek karşılaşmadığımız ancak,  su altı dünyasına özgü bazı yeni terimlerden bahsedilmiştir. Bu terimlerin, sistem dinamiği üzerine olan etkisi incelenmiş ve  hesaplama yöntemleri üzerinde durulmuştur. Geliştirilen ampirik hesaplama yöntemleri kullanılarak otonom su altı aracı üzerinde oluşan bu yeni terimler incelenmiş ve hesaplanmıştır.
Yapılan bu çalışmalar ışığında, su altı dünyasında hareket eden araçlar için kullanılması gereken hidrodinamik denklem setleri ve dikkate alınması gereken bazı hidrodinamik kavramlar belirlenmiştir. Ayrıca, oluşturulan denklem setlerinde bulunan hidrodinamik katsayıların hesaplanması için su altı araçlarına özgü yeni hidrodinamik modelleme yöntemleri oluşturulmuştur. Bu yöntemler kullanılarak su altında hareket eden herhangi bir aracın 6 serbestlik derecesinde hidrodinamik veri tabanı hazırlanabilecek ve performans hesaplamaları yapılarak hidrodinamik karakteristiği belirlenebilecektir. Belirlenen hidrodinamik karakateristik istenilen performans gereksinimlerini karşılayabiliyorsa tasarım doğrulanacak aksi halde, tasarım optimizasyon yöntemlerine gidilecektir.

Abstract:
In these days unmanned underwater vehicles (UUV) could be used for different purpose those are complex systems and contain different engineering expertise area because of their mission profiles and subsystems. In order to define the area of usage of an UUV, firstly design requirements of UUV must be determined. Each design requirements of subsystems are determined by separating the design requirements of whole system. According to these system and subsystem requirements of UUV, different engineering areas should have closed loop interaction with each other. In this process, one of the main engineering areas in the system design is the hydrodynamic. 
Hydrodynamic design is determined, developed and optimize according to desired specifications of UUV and also hydrodynamic design has an effective role in the validation of missions of UUVs. In order to complete hydrodynamic design of an UUV, hydrodynamic characteristic of the design must be determined, performance calculation of the hydrodynamic form must be performed and the design must be validated. In this iterative process, one of the most important levels is the calculation of the hydrodynamic coefficients.
In the hydrodynamic coefficients, which mostly affect the maneuverability of an AUV, are static and the linear damping coefficients. A rectangular cartesian coordinate system, attached to the center of gravity of vehicle, is used in the project. The three components of the hydrodynamic force along the directions x, y, z are denoted by X, Y, Z respectively, and the three components of the hydrodynamic moments by L, M, N. The path of the vehicle is then assumed to be intentionally altered slightly by deflection of various control surfaces on the vehicle. The three components of force X, Y, Z and the three components of the moments L, M, N are expanded up to second order terms in the linear velocities; u, v, w and the angular velocities; p, q, r where these velocities now represent perturbations to the equilibrium condition of steady state forward motion. The expression for the forces and moments are derived from ?Standard Equations of Motion for Submarine Simulations?.  
There are many kinds of hydrodynamic coefficients in the standard equations of motion for submarine simulations, which could be evaluated to describe the dynamics of the vehicle. In this project static, linear damping, and nonlinear damping coefficients are calculated by using CFD methods and linear inertia coefficients are calculated with empirical methods. Firstly, CFD analysis process would be investigated. Hydrodynamic coefficients are the main significative factors that strongly affect the performance, controllability and maneuverability characteristics of an autonomous underwater vehicle. These coefficients are generally obtained by different methods such as experimental, numerical and empirical. 
Although the experimental methods are the most reliable one among these, hydrodynamic coefficients are not generally obtained experimentally; due to financial problems, time-related problems and deficiencies of model basins. Another approach by which these coefficients can be obtained is the numerical methods, such as computational fluid dynamics. In this project, all hydrodynamic coefficients of an AUV are calculated in six degree of freedom, by using computational and empirical methods. Firstly, a new hydrodynamic calculation model for underwater vehicles is created and verified. After the verification of CFD solution model, hydrodynamics database of an AUV is constituted and then stability and performance characteristics are determined. Hydrodynamic coefficients are the most important parameters to determine the hydrodynamic characteristic of any UUV. In order to determine the hydrodynamic performance and give feedbacks to hydrodynamic design to optimization, hydrodynamic database must be prepared and the performance calculation must be carried out. Because of that reason, according to performance calculation the hydrodynamic design could be accepted or rejected. Consequently, calculation of the hydrodynamic coefficient properly is very important in order to perform required design and gets the desired performance values. Hydrodynamic coefficients are calculated in three different methods commonly. These are experimental methods, computational fluid dynamics (CFD) methods and empirical methods. In these alternatives, in spite of the fact that the most reliable methods to calculate hydrodynamic coefficients are the experimental techniques, also these are the most expensive ones to determine the hydrodynamic coefficients. Because of this reason, experimental methods cannot be used in every design steps of the AUVs. Instead of experimental methods, numerical (computational fluid dynamics) and empirical techniques can be used. To calculate the hydrodynamic coefficients, new CFD calculation models and empirical methods can be developed by using test-case documents, which have experimental datum to compare and verify the solutions.
In the first step of the project, special features of underwater world are explained and equations of motion are introduced for underwater vehicles. Sensitive hydrodynamic coefficients for the project are investigated in these equations of motion, then calculation and preparation process of the hydrodynamic database of an AUV gets started. In this project, fundamental hydrodynamic coefficients in six degree of freedom such as surge, heave, sway forces and pitch, yaw and roll moments are calculated for different cruise conditions. Also, stability and performance characteristics of an AUV are determined. In order to calculate these coefficients, linear and nonlinear steady state computational fluid dynamics (CFD) analyses are done. But before this step, CFD solution model of hydrodynamic calculations must be verified, to get correct results from CFD analyses. In order to verify the solution methods of CFD calculation model, test-case documents are studied. These documents include geometry of any underwater vehicle, test conditions and test results. For the verification study, hydrodynamic test results and geometry of DARPA Suboff Model is used.  In order to start the hydrodynamic analysis process firstly, solid model of an AUV must be created. The solid model is created in CATIA 3D modeling software and then fluid domain is constituted. In order to constitute the grid of the AUV GAMBIT 2.4 software is used. Edge, surface and volume meshes of the geometry are created in GAMBIT software. Also, to define the boundary layer over the geometry TGRID 5.0 software is used.  At the end of this process, fluid domain and grid files of an AUV gets ready to perform hydrodynamic analyses in CFD analysis software. 
In the CFD analysis processes ANSYS Fluent 13.0 software is used. Some characteristic features for hydrodynamic analyses as a solver model, turbulence model, boundary conditions, Y+ values, characteristic features for the fluid and solution techniques are defined in Fluent 13.0. After the complementation of setup case for hydrodynamic analyses, lots of CFD analyses are carried out for different cruise conditions and hydrodynamic database is constituted. 
In order to verify CFD and empirical calculation techniques of hydrodynamic coefficients, test case studies are performed and the calculation model which will be used in this study is verified. In this study, a comprehensive study has been made to verify the CFD tools for the hydrodynamic analysis of the underwater bodies such as submarines. In order to evaluate the capabilities and accuracy of the tools used in this project, Darpa Suboff model has been selected as a test case, because of the availability of extensive validation data for field variables as well as for integral quantities. The experimental data of Darpa Suboff is available at David Taylor Research Center. By using the verified CFD and empirical calculation methods, hydrodynamic database of an AUV is prepared in six degree of freedom. Through the hydrodynamic database, stability and performance calculation of an AUV is performed and stability and performance characteristic of the AUV are determined. Also, some difference between the aerodynamics and hydrodynamics are studied and defined some characteristic features of hydrodynamic are introduced. Sensitivity of these new terms to the system dynamics is investigated and the calculation techniques are developed to calculate these special terms for an AUV.
Furthermore, a comprehensive study has been made to constitute hydrodynamic database of Autosub AUV in six degree of freedom. Different static and dynamic hydrodynamic analyses are performed of Autosub for different cruise conditions. In static hydrodynamic analyses, cruise speeds, control surface deflections and angle of attacks in different planes are variable parameters. However, rotational and acceleration maneuvering conditions are simulated in dynamic hydrodynamic analyses. 
Calculated hydrodynamic forces and moments for different cruise conditions can be used in conceptual design process of Autosub AUV model. According to pitching moment coefficients versus angle of attack graphics for different velocities, longitudinal static stability of the vehicle is discussed. Center of pressure locations of the vehicle for different angle of attacks is determined and normal forces distribution of each part of the vehicle, which cause to pitching moment, is extracted and static stability of Autosub is discussed.  For the hydrodynamic analyses in 6DOF, verified CFD methods are used.
In summary, in the framework of the performed studies, hydrodynamic equations of motion for underwater vehicles are developed and some considerable features of underwater world are introduced. Also new calculation model, unique to underwater world are investigated for hydrodynamic coefficients which are sensitive in the equations of motions. By using these developed CFD and empirical calculation methods, hydrodynamic database of any underwater vehicles could be calculated and through the database hydrodynamic performance characteristics could be determined. If the determined performance parameters could cover the desired requirements, the hydrodynamic design gets accepted, if the determined performance parameters could not cover the desired design requirements, the hydrodynamic design must be optimized.