Bir sualtı planörünün hidrodinamik analizi

İnsansız Deniz Araçları, sağladıkları avantajlar ile tüm dünyada askeri ve bilimsel otoritelerin en çok tercih ettiği deniz araştırma sistemleri olma yolunda hızla ilerlemektedir. Bu araçlar farklı görevler için özelleşerek birçok alt kategoriye ayrılmıştır. İnsansız Deniz Araçları, ana olarak İnsansız Yüzey Araçları ve İnsansız Sualtı Araçları olarak iki kategoriye ayrılabilir. İnsansız yüzey araçları olarak Otonom Yüzey Aracı ve Dalga Planörü sayılabilirken, insansız sualtı araçları da Kumanda Kontrollü Sualtı Aracı, Otonom Sualtı Aracı ve Otonom Sualtı Planörü olarak alt gruplara ayrılabilirler. Aslen bir insansız bir sualtı aracı olan Otonom Sualtı Planörleri sahip oldukları yetenekler ile kendi kategorilerini kazanmışlardır. Bu araçların en büyük özelliği araç ağırlığı, ağırlık merkezinin yeri ve araç hacmi gibi parametreleri değiştirerek su altında bilinçli bir batma-çıkma döngüsünü izleyebilmeleri ve bu esnada kanatları vasıtası ile ürettikleri kaldırma kuvvetini kullanarak ileri yönde hareket edebilmeleridir. Pervane ya da benzeri bir itki sistemi olmaksızın sağlanan bu hareket çok yüksek bir enerji verimi sağlamakta ve sualtı planörlerinin 6 ay ile 1 sene arası uzun süreler sualtında herhangi bir insan müdahalesi olmaksızın çalışabilmesini imkân vermektedir. Sualtı planörleri üzerlerinde taşıdıkları CTD, ADCP, DO, PAR vb. sensörler ile periyodik olarak sualtında veri toplayabilmekte ve bu verileri yüzeyde kurulan uydu bağlantısı yoluyla bir kontrol merkezine aktarabilmektedir. Sualtı planörleri itki sisteminden yoksun olduklarından dolayı diğer insansız sualtı araçlarına göre düşük mevki hassasiyetine sahiptirler. Sualtından kontrol merkezlerine kablosuz bir bağlantı sağlayabilecek kapasitede bir sistem olmadığında, bu araçlar henüz yüzeydeyken görev bilgilerini ve gidilmesi gereken koordinatları kontrol merkezinden alır. Daha sonra, bir sonraki yüzeye çıkış zamanına kadar aracın sualtındaki hareketleri ivmeölçer, elektronik pusula, basınç sensörleri ve altimetre sensörleri yardımlarıyla hesaplanarak tahmin edilmeye çalışılır. Araç, her yüzeye çıktığında Küresel Konumlama Sistemi üzerinden veri alarak sualtındaki tahminlerden kaynaklı oluşan hataları sıfırlar ve rutin seyrine geri döner. Sualtı planörleri aylarca süren görev süreleri boyunca oldukça geniş çapta bir bölgeyi tarayabilirler ve 10000km gibi büyük mesafelere ulaşabilirler. Bu ve daha yüksek menzillere ancak hidrodinamik olarak iyi optimize edilmiş gövde yapılarıyla ulaşılabilmektedir. Sualtı planörlerinin toplam dirençlerinin büyük bir bölümü planörün gövdesi tarafından oluşturulmaktadır. Bu nedenle, iyi tasarlanmış bir gövde yapısı aracın hidrodinamik sürtünme performansını iyileştirerek her bir dalış ve çıkışta daha uzun mesafeler kat edebilmesi sağlayabilir. Bu şekilde kazanılan enerji, bir görev süresi boyunca düşünüldüğünde, aracın menzilini arttırabilir, belirli bir görevin daha kısa sürede bitmesini sağlayabilir, araca daha fazla sensör takmaya yetecek bir enerji bütçesi oluşturabilir ya da var olan sensör paketlerinin veri alma frekanslarında bir artış oluşmasını sağlayabilir. Bunlar gibi iyileştirmelerin sağlanabilmesi için hidrodinamik optimizasyonun sağlanması gerekmektedir. Bir sualtı planöründe, sürtünme kuvvetinde iyileştirme sağlayabilmek için aracın çap ve boy gibi ana parametrelerinin küçültülmesi oldukça basit ve yeterli bir çözüm sunmaktadır. Ancak bu araçların deplasman hacmini oluşturan iç hacimleri, boyutların küçültülmesi konusunda sınırlayıcı faktörü oluşturmaktadır. Normal şartlarda çapta ya da boyda yapılacak küçültmeler, hali hazırda sıkışık olan iç yapının daha da sıkışarak bir takım sistemleri barındıramayacak duruma gelmesine ya da daha da önemlisi, sualtı planörlerinde ana güç kaynağı olan ve iç hacimde büyük bir paya sahip olan, batarya sisteminden eksiltme yapılmasını zorunlu kılabilir. Buradan anlaşılacağı üzere, araç üzerinde yapılabilecek hidrodinamik iyileştirmeler ancak, aracın aktif çalışma süresi üzerinde doğrudan etki sahibi olabilecek araç iç hacmi ve aracın temel boyutları arasındaki doğru oranların saptanması ile mümkün olabilmektedir. Bunların yanında sualtı planörlerinin modüler bir şekilde kullanılabilmeleri, yani aracın görevden göreve ihtiyacı olabilecek sensör paketleri, ek pil üniteleri ve ek taşıma kapasitesi sağlayacak gövde parçalarının görev bazında değiştirilebilmesi de aracın boyutlarında, üretim sonrasında dahi önemli değişiklikler olabileceğini göstermektedir. Tüm bunlar göz önüne alındığında, bir tasarımcının, yeni bir tasarıma başlarken, araç iç hacmi ve temel boyutlar arası dengeyi sağlayabilmesi ve modüler bir kullanım senaryosunda oluşabilecek yeni durumları da göz önünde bulundurabilmesi adına, temel boyut değerlerindeki değişime bağlı hidrodinamik sürtünme performansı değişimini görebilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, bu değişimin gösterilebilmesi için aracın boy ve çap parametrelerindeki değişimin iç hacme ve sürtünme kuvvetine etkileri gözlemlenmiştir. Gözlemler için avantajlarından dolayı sualtı planörleri için en yaygın gövde şekli olan, torpido stili gövde seçilmiştir ve gözlemler iki temel grup üzerinde yapılmıştır. Birinci grup çapı sabit tutularak araç su geçirmez boyunun değiştirildiği, ikinci grup ise boyun sabit tutularak çap değişimi yapıldığı senaryolardır. Bunlar yapılırken baş ve kıç formları, tüm geometrilerde sabit ve aynı uzunlukta kabul edilmiş ve genel olarak kabul görmüş parametreler üzerinden Myring denklemleriyle oluşturmuştur. Burada ikinci grupta çapın sabit boyda artması durumunda kıç bölgesinde yaşanabilecek ayrılmanın getirebileceği direnç farkının da gözlemlenebilmesi için aracın kıç bölgesindeki narinliğin korunduğu üçüncü bir grup oluşturulmuştur. Bu grupta çap değişimi ile beraber baş ve kıç boyları da oranlanarak değiştirilmiştir. Bu üç grubun oluşturulabilmesi için temel boy ve çap değeri ticari ve akademik sualtı planörleri incelenerek 1.50m'ye 0.20m olacak şekilde seçilmiş, boy ve çap değişimleri bu boyutlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sürtünme kuvveti analizlerinde açık kaynak kodlu bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programı olan OpenFOAM programı kullanılmıştır. Hesaplamalar aracın tüm durumlarını gösterebilmesi adına 0.3, 0.6, 0.9 ve 1.2 m/s hızlar için ve 0, 2, 4, 6, 8, 10° atak açılarında gerçekleştirilmiştir. Toplamda 13 adet gövde 4 farklı hız ve 6 farklı atak açısı değeri kullanılarak 312 adet analiz yapılmıştır. Analizlerde, literatürde sualtı planörleri için da kabul görmüş olan tam türbülanslı akım varsayımı yapılmış ve türbülans modeli olarak RANS, k-ω SST modeli seçilmiştir. Düşük Reynolds durumlarında daha iyi sonuç alabilmek için y+ değeri tüm analizlerde 0 ile 1 arasında tutulacak şekilde bir ağ örgüsü kullanılmıştır. Analizlerde zamandan bağımsızlık varsayımı yapılmış ve OpenFOAM'da bulunan simpleFoam çözücüsü kullanılmıştır. Çözüm için gerekli başlangıç koşulları, potentialFoam potansiyel akış çözümü kullanılarak belirlenmiştir. Seçilen HAD parametrelerinin uygunluğunun kesinleştrilmesi adına bilindik bir form olan DARPA Suboff takıntısız formu üzerinde analizler yapılmış ve sonuçlar deney değerleriyle karşılaştırılarak uygun bulunmuştur. Çalışmalarda doğru ağ ögrüsünün kullanılabilmesi için temel boy ve çap değerleri kullanılarak oluşturulan model üzerine ağdan bağımsızlık analizi yapılmıştır. Bu analiz sonucunda, tüm analizlerde kullanılacak olan ağ örgüsü, simetri nedeniyle yarım gövde üzerinde 1.2M civarı hücre olacak şekilde seçilmiştir. Çıkan sonuçlara göre hacim artışı yüksek atak açıları ve hızlar için daha çok olmak üzere sürtünme kuvvetini etkilemektedir. Ancak bakıldığında 0.3 ve 0.6 m/s hızları civarındaki hızlarda çok yüksek artışlar yaşanmamaktadır. Bu bağlamda, düşük hızlarda çalışan planörlerdeki hacim artışında hidrodinamik sürtünme kuvveti olarak çok etkilenmeyecektir. Bu da, modüler özelikte kullanılmak üzere tasarlanan bir sualtı planörü için önemli bir girdi oluşturmaktadır.