Gemi kıçındaki akım ayrılmasının girdap yapıcılar aracılığıyla kontrolü

Akım ayrılması hadisesi, ters basınç gradyanı neticesinde sınır tabakanın duvar yüzeyinden ayrılması sonucu oluşmaktadır. Bu hadise, dolgun formlu tankerler gibi deniz araçlarında görülebilmektedir. Deniz araçlarında oluşan akım ayrılmaları gemilerde direnç artışı ve gemilerin sevk verimini düşürmesi gibi olumsuz etkilere neden olmaktadır. Günümüzde, hidrodinamik ve aerodinamik açıdan pek çok kara, hava ve deniz araçlarının akım ayrılmalarının yerleri tespit edilebilmektedir. Tespit edilen akım ayrılmaların engellenerek ya da geciktirilerek kontrol edilmesi mühendislerin oldukça ilgisini çekmektedir. Aerodinamik açıdan müspet etkileri görülen girdap yapıcılar duvardaki sınır tabaka içine girdaplar ile sınır tabakanın enerji düzeyini arttırarak akım ayrılmalarının kontrolünü sağlamaktadır. Kara ve hava araçlarının aerodinamik dizaynında önemli bir yer tutan girdap yapıcılar, hidrodinamik açıdan da potansiyeli öngörülmüştür. Bu konuda inceleme yapmak üzere güçlü akım ayrılmalarına sahip dolgun formlu bir tankerin akım ayrılmalarının girdap yapıcılar aracılığıyla kontrolü çalışmaları yapılmıştır. Bölüm 1'de girdap yapıcılar hakkında literatürde yapılan çalışmalar özetlenmiş olup girdap yapıcıların tipleri ve parametreleri hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile gerçekleştirilmiştir. Bölüm 2'de HAD yöntemleri ve HAD yöntemlerinde kullanılan yönetici denklemler hakkında bilgi verilmiştir. Aynı zamanda bu kısımda; sıkıştırılamaz Reynolds Ortalaması Alınmış Navier Stokes (RANS) temelli SST k-ω türbülans modeli ve daimi akış için basınç hız bağıntısı veren SIMPLE algoritması hakkında detaylı bilgi yer almaktadır. HAD çalışmalarının sağlıklı olarak yürütülebilmesi için kullanılan teknik ve yöntemlerin deneysel verilerle geçerlenmesine ihtiyaç vardır. Bölüm 3'te HAD teknik ve yöntemlerin geçerlemeleri yer almaktadır. Geçerleme çalışmaları MOERI (Maritime and Ocean Engineering Research Institute) tarafından geliştirilen U kıç formlu KVLCC2 (KRISO - Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering - Very Large Crude Carrier) gemisi kullanılarak yapılmıştır. KVLCC2 gemisinin geçerleme çalışmaları, çift model yaklaşımıyla sonsuz derinlik kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırması sonucu elde edilen deneysel veriler ile yapılan HAD çalışmalarından elde edilen veriler karşılaştırılarak geçerleme işlemleri tamamlanmıştır. Çalışmaların daha az maliyetli olarak sürdürülebilmesi için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bölüm 3'te ayrıntılı bir şekilde açıklanan bu yöntem KVLCC2 gemisine uygulanmıştır. Kesilmiş modelin HAD analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar kesilmemiş modelin direnç bileşen değerleri, akım hatları ve belirli istasyonlardan alınan hız, basınç, türbülans kinetik enerjisi ve spesifik disipasyon oranı konturları kesilmiş modelinkileri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırması yapılan sonuçlarda yüksek oranda benzerlik görülerek modelin kesilmesi yönteminin geçerlemesi yapılmıştır. Bölüm 4'te girdap yapıcıların şiddetli akım ayrılmalarına sahip bir tankerin kıçına uygulanarak akım ayrılmalarının kontrolü çalışmaları yer almaktadır. Girdap yapıcıların tankerin kıçına uygulaması çalışmalarından önce çalışılan tanker için yapılan HAD çalışmalarının ağdan bağımsızlığı yapılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışmaları sonucu elde edilen ideal çözüm ağı için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem ideal tanker çözüm ağına uygulanarak yöntemin geçerlemesi tanker modeli için tekrar yapılmıştır. Tanker için modelin kesilmesi yönteminde elde edilen giriş profili bundan sonraki bütün çalışmaların giriş koşulu olarak yer almaktadır. Kesilmiş model çözüm ağı sıklaştırılıp tekrar çözülmüştür. Bu çözümden, tankerin akım ayrılmalarının yerleri tespit edilmiştir. Tankerin kıçına uygulanan girdap yapıcıların akım ayrılmalarına etkilerinin yanı sıra tankerin direnç bileşenlerine etkileri de dikkate alınmaktadır. Bu iki husus dikkate alınarak en verimli girdap yapıcı konfigürasyonunun tespiti için parametrik çalışma yapılmıştır. Bölüm 4.3'te girdap yapıcıların değişken dört tane parametre ile sistematik bir biçimde tanker kıçına uygulanarak akım ayrılmalarına ve direnç bileşenlere etkileri araştırılmaktadır. Bu parametreler; girdap yapıcılar arası mesafeler, girdap yapıcıların hücum açıları, girdap yapıcıların profil yükseklikleri ve girdap yapıcıların girdaplarının dönüş yönleridir. Bu çalışmada, girdap yapıcılar arası mesafeler S, girdap yapıcıların boyları L'ye bölünerek S/L olarak boyutsuzlaştırılarak ifade edilmektedir. Girdap yapıcıların hücum açıları ise α olarak ifade edilmektedir. Profil yüksekliklerine göre girdap yapıcılar; konvansiyonel ve düşük profil girdap yapıcılar olarak isimlendirilmektedir. Girdap yapıcılar ürettikleri girdaplara göre eş dönüşlü ve karşıt dönüşlü girdap yapıcılar olarak bu çalışmada yer almaktadır. Değişken dört parametrelerin üzerinden uygulanan girdap yapıcı vakaları belirlenmiş bir kural doğrultusunda kodlanmaktadır. Kodlama kuralına göre bütün vakaların ismi GY ile başlamakta olup ilk iki rakam girdap yapıcıların birbirlerine olan S/L mesafelerini, üçüncü ve dördüncü rakam α'yı temsil eder. Beşinci karakter konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında K, düşük profil girdap yapıcı vakalarında D olarak yer almaktadır. Son karakter eş dönüşlü girdap yapıcı vakalarında E, karşıt dönüşlü girdap yapıcı vakalarında K olarak yer almaktadır. Çıplak gemi M1 olarak isimlendirilmektedir. Bu konuda daha ayrıntılı bilgiler ve örneklendirmeler Bölüm 4.4'te yer almaktadır. Bölüm 4.4.1'de ilk parametre olarak girdap yapıcıların S/L parametresi incelenmektedir. S/L parametresi incelenen girdap yapıcılar konvansiyonel, eş dönüşlü ve hücum açıları α = 160'dir. İlk parametre için gemi kıçına uygulanan girdap yapıcı vakalarında S/L = 2.5 konfigürasyonuna sahip GY2516KE'den en verimli sonuç alınmıştır. GY2516KE vakası M1 vakası ile kıyaslandığında GY2516KE vakasında akım ayrılmaların büyük ölçüde engellendiği görülmektedir. GY2516KE vakasındaki girdap yapıcılar tankerin direnç bileşenlerini %4.6 oranında düşürdüğü görülmektedir. GY3516KE ve GY1016KE ise en başarısız sonuçların alındığı vakalardır. Konvansiyonel, eş dönüşlü ve 160 hücum açılı vakalarda GY3516KE vakası hariç bütün vakalar akım ayrılmalarının kontrolü açısından başarılı sonuç verirken, GY1016KE vakasının direnç bileşen değerleri açısından başarısız sonuç vermesinin sebepleri araştırılmıştır. GY1016KE vakasının tanker yüzeyindeki basınç katsayısı konturları ve belirli istasyonlardan alınan girdaplılık konturlarına göre bu vakada yer alan girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına kadar ulaşarak tanker direnç bileşen değerlerini olumsuz etkiledikleri görülmüştür. Bölüm 4.4.2'de ikinci parametre olarak α incelenmektedir. Bölüm 4.3.1'de incelenen 160 hücum açılı S/L mesafelerinden 2.5, 2.0 ve 1.5 olanlarının 100 ve 230 hücum açılı olarak uygulamalarının analizi yapılmıştır. Direnç bileşen değerleri açısından, incelenen S/L mesafelerinin α = 100 ve α = 230 hücum açılı vakalardan hiçbirisi aynı S/L mesafelerinin α = 160 hücum açılı vakalarından daha başarılı sonuç vermemiştir. Bunun nedeni olarak α = 230'li ve α = 100'li vakaların girdapların tankerin ayna kıçına daha şiddetli ulaşması olarak ortaya konmuştur. Bölüm 4.4.3'te üçüncü parametre olarak girdap yapıcıların profil yükseklikleri incelenmektedir. Düşük profil girdap yapıcı vakalarında önceki bölümlerde verimli olarak ortaya konan 160 hücum açılı ve 2.5, 2.0, 1.5 ve 1.0 S/L mesafelerinin uygulamaları yer almaktadır. Akım ayrılmalarının kontrolü açısından ve tanker direnç değerlerini düşürmesi açısından S/L = 1.0 mesafeli GY1016DE vakası en başarılı düşük profil girdap yapıcı vakası olarak belirlenmiştir. GY1016DE vakasındaki girdap yapıcılar tanker direnç bileşenlerini %4.21 oranında düşürdüğü görülmektedir. Diğer S/L mesafelerinden ek olarak S/L = 1.0 düşük profil girdap yapıcıların 100 hücum açılı uygulaması yapılmıştır. Konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında olduğu gibi S/L = 1 mesafeli 160 hücum açılı düşük profil girdap yapıcı uygulaması 100 hücum açılı uygulamaya göre daha başarılı sonuç verdiği görülmüştür. Genel olarak tanker kıçına uygulanan düşük profil girdap yapıcılar akım ayrılmaların kontrolü açısından konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha başarısız sonuçlar vermesine rağmen direnç bileşen değerlerini kayda değer oranda düşürdükleri görülmektedir. Bunun nedeni, düşük profil girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına ulaşana kadar zayıflayarak ayna kıç akımını daha konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha düşük oranda etkilemeleri olarak görülmüştür. Bölüm 4.4.4'te girdap yapıcıların girdap dönüş yönü parametresi incelenmiştir. En verimli eş dönüşlü girdap yapıcı parametreleri karşıt dönüşlü girdap yapıcı konfigürasyonuna uygulanmıştır. S/L = 2.5 mesafelerinin α = 100 ve 160 hücum açılı konvansiyonel girdap yapıcıların karşıt dönüşlü uygulamaları yapılarak iki tane karşı dönüşlü girdap yapıcı vakasının analizi yapılmıştır. Eş dönüşlü girdap yapıcı uygulamaların tersine 100 hücum açılı GY2510KK vakası 160 hücum açılı GY2516KK vakasına göre daha efektif sonuçlar vermiştir.