Parametrik tasarlanan düşük kaviteli pervane ve bükümlü dümen etkileşimi

Nesnelerin etrafındaki akış problemleri karmaşık problemlerdir. Bu problemler hesaplama yöntemleri kullanılarak çözülmektedir. Gelişen bilgisayar teknolojisi, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak pahalı deneylerin doğrulanmasını sağlamaktadır. Gemi inşaatı mühendisliği tasarım çalışmalarındaki kriterlerin belirli bir kısmı hidrodinamik alanını oluşturmaktadır. Tasarım aşamasındaki geminin deneysel analizlerle elde edilebilecek özellikleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemlerinin yardımıyla da tahmin edilmesi, deneysel yöntemlerin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır. Gemilerde, belirli bir sürat sonrasında pervane ve dümen etkileşimi sonucu oluşan kavitasyon, pervane ve dümenin hidrodinamik özelliklerini ve çalışma ömrünü azaltmaktadır. Ayrıca kavitasyon gemilerdeki titreşimin ve gürültünün temel sebepleri arasında yer almaktadır. Kavitasyonun tüm fiziği ortaya konamamaktadır. Kavitasyon problemleri belirli yaklaşımlar yapılarak çözülebilmektedir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile bir takım kabuller ve basitleştirmeler yapılarak kavitasyonlu akış çözümü yapılabilmektedir. Günümüzde hızlı gelişen teknoloji sayesinde HAD analizleri ile iki fazlı akışın sıvı fazdan buhar fazına geçmesi kabarcık patlaması ile modellenerek kavitasyonlu akış çözülebilmektedir. Son yıllarda hızla gelişen bilgisayar teknolojisi vasıtasıyla ise pahalı maliyetli deneyler bilgisayar ortamında doğrulanabilmektedir. Çalışmada kullanılan HAD yönteminin doğruluğu literatürdeki mevcut deney sonuçları ile karşılaştırılarak elde edildi. Çalışmadaki sayısal analizler, bir HAD yazılımı olan Ansys CFX programında Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) modeli ile gerçekleştirildi. SST k-Omega model ile, iki fazlı akış VOF (Volume of Fluid) ile ve kavitasyon da basitleştirilmiş Rayleigh Plesset kabarcık denklemine dayanan Zwart kavitasyon modeli ile çözdürüldü. Bu çalışmada dümen ve pervane etkileşimi kavitasyon etkisi altında incelendi. Bu sayede pervane ve dümen etkileşimi sonucu oluşan kavitasyonun azaltılarak sessizliğe katkı sağlanması amaçlandı. Çalışmada Askeri Gemilerde Pervane-Dümen etkileşimi sonucu ortaya çıkan kavitasyonun minimize edilmesi amaçlandı. Bu amaçla Literatürdeki 6 farklı deneyin HAD validasyonu yapıldı. Elde edilen çözüm yöntemi ile düşük kavitasyonlu pervane ve bükümlü dümen etkileşimi hesapları yapıldı. Tez kapsamında tasarlanan pervane geometrisine Kanat Açıklık Oranı (BAR), Hatve (Pitch) ve Çalıklık (Skewness) açısından 5 aşamalı bir iyileştirme işlemi yapıldı. Pervane kanatlarında pitch değerinin azaltılması ve çalıklığın artması sonucu kavitasyonun azaldığı gözlenmiştir. Pervane tork momentinin itme kuvvetinden daha fazla azaltılması, pervane verimliliğinin artmasına yardımcı oldu. Tezde yapılan pervane iyileştirmesi ile mevcut pervane geometrisindeki kavitasyon oranı orijinal pervane geometrisine göre azaltılmış ve verim arttırılmıştır. İyileştirme işlemi sonucu yüksek verim düşük kavitasyona sahip pervanenin efektif izi arkasına 4 farklı iyileştirme aşamasından geçirilen dümen geometrisi konumlandırıldı. Literatür incelendiğinde, gemilerde manevra kabiliyetinin yüksek dümen geometrileri kullanılması durumunda rota tutma sorunu görülmektedir. Pervane izi arkasındaki düzensiz akım nedeniyle, dümen geometrisinde düz konumdayken bile yanal kaldırma kuvveti oluşmaktadır. Bu kuvvet dümen geometrisinde kavitasyon oluşturur. Kavitasyon, dümen yelpazesinin ortadan bükülmesiyle ortadan kaldırıldı. Dümenin alt kenarı, dümenin ortadan bükülmesinden kaynaklanan manevra kaybını ve dış yüzeyinde oluşan kavitasyonu azaltmak için ters yönde bükülmüştür. Pervanenin efektif izi arkasındaki çift bükümlü dümenin manevra kabiliyeti ve kavite alan açısından bükümsüz ve tek bükümlü dümene göre daha iyi performans gösterdiği görülmüştür.