Gemi pervanelerinde kavitasyon ve kavitasyon erozyonu modellemesi

Gemi pervanelerinde kavitasyon, pervanenin hidrodinamik özelliklerini, çalışma ömrünü, gürültüsünü ve gemi bünyesinde oluşan titreşimleri doğrudan etkileyen, pervane dizaynına kısıtlamalar getiren ve tam olarak anlaşılamayan karmaşık bir akışkanlar mekaniği olayıdır. Kavitasyon erozyonu ise gürültü, titreşim ve performans kaybı ile birlikte kavitasyonun en olumsuz etkilerinden birisidir. Kavitasyon ve kavitasyon erozyonu oldukça karmaşık problemlerdir ve ancak belirli yaklaşımlar yapılarak özel şartlar altında çözülebilirler. Kavitasyonun tüm fiziğini pervanedeki akış koşulları ile birlikte ortaya koyabilen bir kavitasyon modeli bulunmamaktadır. Ancak bir takım kabul ve basitleştirmeler ile pervanedeki kavitasyonlu akışın özellikleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile kısmen elde edilebilmektedir. Kavitasyonlu bir akışı HAD ile doğru bir şekilde çözebilmek için türbülans, iki fazlı akış, sıvı fazdan buhar fazına geçişteki kütle transferi, üç boyutluluk, viskozite, kavitasyon kabarcıklarının dinamiği, patlaması ve kabarcıklar arasındaki etkileşim gibi özelliklerin hepsi aynı anda çözüme dahil edilmelidir. Günümüzde, hızla gelişen hesaplama teknolojisi vasıtasıyla yukarıda bahsedilen özellikler için çeşitli modeller kullanılarak gemi pervanelerinde kavitasyonlu akış çözülebilir hale gelmiştir. Bu tez çalışmasında, gemi pervanelerinde kavitasyon ve kavitasyonun belki de en olumsuz sonucu olan kavitasyon erozyonu HAD ile modellenerek, kavitasyon ve kavitasyon erozyonunun özellikleri hakkında daha fazla bilgi elde edilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın temel amacı kavitasyon ve kavitasyon erozyonunun sayısal modelinin geliştirilmesine ve dolayısıyla kavitasyon dinamiğinin anlaşılmasına katkıda bulunmaktır. Bu kapsamda, gerçekleştirilen HAD çalışması ile kavitasyon ve kavitasyon erozyonu sayısal olarak modellenmiş, gerçekleştirilen deneysel çalışma ile de farklı pervane malzemelerinin kavitasyon erozyonuna olan dirençlerinin incelenmesi konusunda bir adım atılmıştır. Çalışmadaki sayısal analizler, bir HAD yazılımı olan Star-CCM+ programında gerçekleştirilmiştir. Çalışmada öncelikle Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) modeli denenmiş ancak RANS yönteminin hidrofoil ve pervane kanatlarındaki ve etrafındaki kavitasyonu modellemede yetersiz kalması sebebi ile Detached Eddy Simulation (DES) kullanılmasına karar verilmiştir. Tezde gerçekleştirilen tüm HAD analizi çalışmalarında, türbülans DES SST (Menter) k-Omega model ile, iki fazlı akış VOF (Volume of Fluid) ile ve kavitasyon da basitleştirilmiş Rayleigh Plesset kabarcık denklemine dayanan Schnerr-Sauer kavitasyon modeli ile çözdürülmüştür. Kavitasyon erozyonunun modellenebilmesi için ilk önce kavitasyonun doğru bir şekilde modellenmesi gerektiğinden, çalışmaya literatürde kavitasyon tüneli deneyleri sonuçları bulunan PPTC pervanesindeki kavitasyonlu akış çalışmasının geçerlemesi ile başlanmıştır. Gerçekleştirilen HAD analizleri ile ilk üçü şaft açısının olmadığı, diğer üçü ise pervanenin 12o şaft açısı ile yerleştirildiği toplam altı farklı kavitasyonlu akış koşulunda pervanede ve pervanenin etrafında oluşan kavitasyon ve pervane karakteristikleri literatürden alınan deneysel sonuçlarla yakın olarak elde edilmiştir. Bu çalışmadan sonra PPTC pervanesinin analizlerinde oluşturulan HAD modelleri kullanılarak, literatürde kavitasyon tüneli deney sonuçları ve HAD sonuçları bulunan Delft hidrofoili ve NACA0015 hidrofoilinin çeşitli akış koşullarındaki HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. İncelenen iki farklı akış koşulunda, Delft hidrofoilinin yüzeyinde oluşan kavitasyonun hacmi ve kaldırma kuvveti katsayısı literatürden alınan sonuçlar ile kıyaslanarak çalışmanın geçerlemesi ve sağlaması yapılmıştır. Benzer bir şekilde, gerçekleştirilen HAD analizleri için NACA0015 hidrofoilinde oluşan kavitasyonun da literatürden alınan deneysel ve HAD analizi çalışmaları ile geçerlemesi yapılmıştır. Böylece, oluşturulan HAD modelinin pervaneler gibi hidrofoiller etrafındaki kavitasyonlu akışın modellenmesinde de geçerlemesi yapılmıştır. Kavitasyon modellemesinde oluşturulan modellerin geçerleme (validasyon) ve sağlama (verifikasyon) çalışmaları gerçekleştirildikten sonra sıra erozyon modellemesine gelmiştir. Bu aşamada, NACA0015 hidrofoilinde oluşması beklenen erozyon şiddeti literatürde yer alan IFM (Intensity Function Method) ve GLM (Gray Level Method) ile tahmin edilmiştir. IFM yüzeyde oluşan basıncın zamana göre değişimini, GLM ise yüzeyde oluşan kavitasyonun zamana göre değişimini temel almaktadır. Her iki yöntemden de doğru sonuçlar alınması kullanılacak erozyon şiddeti aralığına (minimum ve maksimum değerler) doğrudan bağlıdır. Bu aşamada tez çalışması kapsamında erozyon şiddetinin minimum ve maksimum değerlerinin belirlenmesinde yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yeni yönteme göre hidrofoil yüzeyindeki erozyon şiddetinin minimum değeri, oluşturulan ortalama erozyon şiddeti grafiğindeki minimum değer; maksimum değeri ise oluşturulan histogram grafiğindeki maksimum değer olarak alınmıştır. Bu teknikle belirlenen erozyon şiddeti eşik aralıkları (thresholds) ile elde edilen erozyon tahmini görselleri deney sonuçları ile kıyaslandığında, benzer oldukları görülmüştür. Literatürden elde edilen (IFM ile farklı erozyon şiddeti aralığı kullanılarak oluşturulmuş olan) görseller ile kıyaslandığında, bahsi geçen teknik ile belirlenen erozyon şiddeti aralığı kullanılarak bu tez çalışması kapsamında elde edilen IFM sonuçlarının deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar ile daha benzer olduğu belirlenmiştir. IFM yüzeyde oluşan basıncın, GLM ise yüzeyde oluşan kavitasyonun zamana göre değişimine bağlıdır. Bununla birlikte, kavitasyon erozyonu hem basıncın hem de kavitasyonun zamana göre değişimlerine bağlıdır. Dolayısıyla, her iki yöntemin de tek başına kavitasyon erozyonu şiddetini tahmin etmede eksik olduğu ve hem basıncın hem de kavitasyonun zamana göre değişimini içeren yeni bir yöntem ortaya konulabileceği düşünülmüştür. Bu kapsamda, tez çalışmasının bu aşamasında literatürde daha önce hidrofoiller ya da pervaneler için hiç kullanılmamış olan yeni bir yöntem kullanılarak hidrofoil ve pervanede oluşacak erozyon tahmin edilmiştir. Ortaya konulan EPM (Erosive Power Method) yani Erozyon Gücü Yöntemi, tez çalışmasının literatüre sunduğu özgün bir yöntemdir. Bu yöntemde kullanılan EPM denklemi, literatürde birkaç çalışmada görülmüş ancak uygulamasına rastlanmamıştır. EPM denklemi, IFM ve GLM denklemlerinin bir kombinasyonu olup, her iki yöntemin de özelliklerini yansıtmaktadır. Dolayısıyla yüzeydeki hem basınç değişimine hem de kavitasyona bağlıdır. EPM yöntemi ile elde edilen NACA0015 hidrofoili yüzeyinde oluşması beklenen kavitasyon erozyonu görselleri, literatürden elde edilen deney sonuçları ile kıyaslandığında, sonuçların IFM ve GLM yöntemlerine kıyasla daha benzer olduğu saptanmıştır. Tez çalışmasının 5. Bölümü'nde, önce yukarıda bahsedilen modeller kullanılarak KCD-193 model pervanesinin altı farklı kavitasyonlu akış koşulu için gerçekleştirilen pervane performans tahmini çalışmaları verilmiştir. Bu çalışmada, hız ve türbülans şiddeti değerlerinin doğrudan Star-CCM+ programında kabul edilmesi yerine, LDV ölçümlerinden elde edilen gerçek hız ve türbülans şiddeti değerleri verileri programa aktarılarak deneyler ile HAD analizleri arasında hız ve türbülans benzerliği arttırılmıştır. Bu durum, kavitasyon oluşumu ve pervane performans değerlerinin tahmininde deneysel sonuçlar ile daha benzer sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır. Kavitasyonlu akış analizlerinin geçerlemesi yapıldıktan sonra, KCD-193 pervanesinin iki farklı akış koşulu için deneylerden elde edilen erozyon görselleri, yukarıda anlatılan EPM, IFM ve GLM ile elde edilen görseller ile kıyaslanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında ilk defa kullanılan EPM ile elde edilen sonuçlar, kavitasyon erozyonu deneylerinden elde edilen sonuçlar ile kıyaslandığında, pervanede erozyona uğraması beklenen bölgenin tahmininin deney sonuçları ile benzer olduğu görülmüştür. 6. Bölüm, oluşturulan hava jeti deney düzeneği ile çeşitli numunelerin erozyon testleri çalışmalarının anlatılması ile başlamıştır. Deney düzeneğinde numune yüzeyine hava püskürtülmesi sonucunda, malzeme üzerinde yeteri kadar kavitasyon oluşmaması sebebiyle, numune yüzeyinde gözle görülecek mertebede erozyon oluşmamıştır. Bu nedenle, çalışmaya önce dişçilikte kullanılan ağız duşu cihazı kullanılarak oluşturulan basit su jeti test düzeneği kurularak devam edilmiştir. Bu düzenek ile de istenilen sonuçların elde edilememesi üzerine çalışmalara yüksek basınçlı su jeti ile malzeme üzerinde kavitasyon erozyonu oluşturulması tekniği ile devam edilmesi gerektiğine karar verilmiştir. Böylece, İTÜ GİDB Fakültesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda ASTM'nin (American Society for Testing and Materials, Amerikan Test ve Malzeme Kurumu) prosedürlerine uygun şekilde oluşturulan yüksek basınçlı su jeti test düzeneği ile kavitasyon erozyonu deneyleri gerçekleştirilerek farklı pervane malzemelerinin kavitasyon erozyonuna olan dirençleri incelenmiştir. Kavitasyon erozyonu deneylerinin geçerleme çalışması, literatürden elde edilen veriler ışığında, Al-6063 malzemesinden elde edilen numuneler kullanılarak yapılmıştır. Çalışma kapsamında literatür ile benzer şekilde, nozul ucu ile numune arasındaki mesafe (Soff) arttığında erozyon hızının azaldığı, optik profilometre ile gerçekleştirilen yüzey analizlerinde ise numune yüzeyinde oluşan en derin çukurun yüksekliğinin (hmax) Soff ile ters orantılı olarak değiştiği sonucu elde edilmiştir. Deneysel çalışmanın temel kısmında, pervane imalatında yaygın olarak kullanılan Cu1 (Ni-Al-Br), Cu3 (Mn-Br) ve Cu4 (Mn-Al-Br) malzemeleri farklı kavitasyon sayılarındaki akış koşullarında ve farklı süreler boyunca test edilmiştir. Test edilen malzemelerin çekme gerilmesi, kopma mukavemeti, şekil değiştirme hızı, Brinell ve Rockwell sertlik ile yorulma dayanımı özellikleri göz önüne alındığında, kavitasyon erozyonu açısından en dayanıklı olanın Cu4 olması beklenmektedir. Ancak testler sonucunda, incelenen üç pervane malzemesinden kavitasyon erozyonuna en dayanıklı olanın Cu3, en az dayanıklı olanın ise Cu1 olduğu saptanmıştır. Testlerden elde edilen bir diğer sonuç ise düşük kavitasyon sayısındaki akış koşullarında, yani daha fazla kavitasyon oluşumunun beklendiği durumda, kavitasyon erozyonunun artmasıdır. Sonuç olarak bu Tez çalışması ile kavitasyon HAD ile modellenmiş, kavitasyon erozyonunun tahminine yönelik yeni bir yöntem ortaya konulmuş ve farklı malzemelerin kavitasyon erozyonuna dirençlerinin incelenmesi çalışmalarının gerçekleştirilebildiği bir yüksek basınçlı su jeti test düzeneği kurulmuştur. Kurulan test düzeneği ile üç farklı gemi pervane malzemesinin farklı kavitasyon sayısı ve farklı sürelerde kavitasyon erozyonu testleri gerçekleştirilerek, malzemelerin kavitasyon erozyonuna dirençleri belirlenen parametreler çerçevesinde incelenmiştir.