Gemi pervanesi performans karakteristiklerinin lineer olmayan kanat elemanı momentum teorisi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle incelenmesi

Gemi pervanelerinin kavramsal tasarım aşamasından, detay tasarım ve üretim aşamasına kadar olan süreci oldukça uzun ve maliyetlidir ve çözülmesi zor mühendislik problemleri içermektedir. Özellikle detay tasarım aşamasında yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde harcanan süre ve model testlerinin maliyetleri göz önüne alındığında, bu süreci ve maliyetleri azaltabilmek için kavramsal tasarım aşamasında hızlı ve kabul edilebilir sonuçların alınabileceği mühendislik kodlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için muhtelif düşük mertebe doğruluklu mühendislik kodları mevcuttur. Bunlardan birisi de kanat elemanı momentum teorisidir. Kanat elemanı momentum teorisi, kanat elemanı ve momentum teorisinin birleşiminden oluşmaktadır. Kanat elemanı teorisi, pervane kanadının radyal kesitlerininin kaldırma ve direnç katsayıları değerlerinden yararlanarak, pervanenin ilerleme oranı, itme ve tork katsayılarına bağlı açık su performans değerlerinin hesaplanmasını sağlamaktadır. Bu teoride her bir kesite etki eden itme ve güç katsayılarını hesaplayabilmek için indüklenmiş hücum açısı değerinin tespit edilmesi gerekmektedir. İndüklenmiş hücum açısı değeri ise momentum teorisi ile hesaplanır. Momentum teorisi, akım tüpü içerisindeki sonsuz sayıda kanatlı bir pervane olarak ele alınan pervane diski eksenindeki ve akım yönündeki, hız ve basınç değerlerininin, enerjinin ve eksenel momentumun korunumu ilkerlerine bağlı olarak hesaplanabilmesini sağlamaktadır. Bu teoriye göre akım, viskoz ve rotasyonel olmayan ve sıkıştırılamaz olarak kabul edilmektedir. Bu nedenle enerji kayıpları ihmal edilmektedir. Bu iki teorinin matematiksel modellenmesi sırasında ihmal edilen etkilerin eksikliklerini kapatmak amacıyla kanat elemanı teorisi ve momentum teorisinin birleştirilmesiyle kanat elemanı momentum teorisi ortaya atılmıştır. Lineer Kanat Elemanı Momentum Teorisi denkleminin kapalı hali McCormick tarafından sunulmuştur. McCormick, kanat boyunca bütün radyal kesitlerin küçük hücum açılarına sahip olduğunu kabul etmiştir. Ayrıca lokal indüklenmiş direncin itme kaysayısına etkisinin ihmal edilebilir olduğunu varsaymıştır. Bu yaklaşımlarla Kanat Elemanı Momentum Teorisinin kapalı formunu elde etmektedir. Ancak bu yaklaşımın özellikle yüksek ilerleme sayılarında hatalı sonuç verdiği bilinmektedir. Kanat elemanı momentum teorisinde pervanenin performans değerlerini hesaplayabilmek için kanat kesitlerinin kaldırma kuvveti (CL) ve direnç kuvveti (CD) katsayılarının tespit edilmesi gerekmektedir. Bunun için Python'da geliştirilen lineer olmayan kanat elemanı momentum teorisi programı, XFOIL programından, her bir kesitin hissettiği Reynolds sayısında bu değerleri çekmektedir. Bu sebeple bu tez çalışmasında ilk olarak XFOIL programının farklı başlangıç koşullarında verdiği sonuçları inceleyebilmek için NACA0012 kesiti geliştirilen kaynak-dipol yötemi programı, XFOIL ve hesaplamalı akışkanlar dinamaği ile çözülmüş ve sonuçlar deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. Ardından lineer kanat elemanı momentum teorisindeki kabullerden ve ihmal edilen etkilerden kaynaklanan hatalardan kaçınmak için geliştirilen lineer-olmayan kanat elemanı momentum teorisi programı ile standart test pervanesi olan DTMB4119 pervanesinin açık su peformansı incelenmiştir ve Analitik Kanat Elamanı Momentum Teorisi, HAD ve açık su pervane deneyi sonuçları ile kıyaslanmıştır. Sonuçlara göre ortalama ilerleme sayılarında lineer olmayan kanat elemanı momentum teorisi sonuçlarının deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. DTMB4119 pervanesinin ardından, çalıklı DTMB4382 pervanesi, geliştirilen lineer olmayan kanat elemanı momemtum teorisi programı ile çözülmüş ve sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Kanat elemanı momentum teorisiyle çalıklık modellenemediğinden, çalıklığın pervane performansına etkisi incelenmiştir. Son olarak DTMB4119 pervanesi hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile çözülmüş ve açık su performans değerleri sonuçları deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. İlerleme sayısı arttıkça kullanılan k-ε türbülans modelinin ve duvar fonksiyonunun viskoz etkileri hassas modelleyememesi sonucu hata oranının arttığı gözlemlenmiştir. k-ε türbülans modeli ve duvar fonksiyonu yerine k-ω SST türbülans modeli kullanılmasının daha doğru sonuç vereceği düşünülmektedir.