Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı

Bu tez kapsamında sonar izi bırakmama isterinin önemli olduğu jenerik bir sualtı aracı üzerinde hidroakustik ve vibroakustik odaklı sayısal çözümleme gerçekleştirilerek iz bırakım özellikleri belirlenmiştir. Hidrodinamik çözümlemenin gerçekleştirildiği sonlu hacim yöntemleri ve ses yayılımının modellendiği akustik analojiler birarada kullanılarak akışkan ortamındaki ses basınç seviyeleri, ses yönelimi, gürültü spektrumları ve akustik iz bulunmuştur. Bununla birlikte izlenen yöntemin doğrulanabilmesi için literatürde test verisi mevcut olan deneysel çalışmalar ele alınarak uygunluk gösterecek sayısal kurgu oluşturulmuştur. Doğrulama hidro/aerodinamik ve akustik olmak üzere iki aşamaya bölümlendirilmiştir. Eğimli şaft üzerinde homojen olmayan akışa maruz kalarak test edilmiş VP1304 pervanesine ait farklı devir ve hızlarda itme, tork ve verim bilgileri literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada çalkantı Büyük Girdap Benzetimi (LES) ile modellenmiş olup kayar ağ yöntemi kullanılarak akış sonlu hacim yöntemi ile sayısal olarak çözülmüştür. Yapısal olmayan tetrahedral şekilli üç boyutlu uzaysal ayrıklaştırmalar yoğun ağ örgüsü ile gerçekleştirilmiştir. Sayısal ve test sonuçları birlikte değerlendirildiğinde tüm çalışma noktalarında maksimum yüzde 8 hata ile kestirim yapılmıştır. Böylelikle sualtı aracının ardında bulunan akış iz profilinin yüksek doğruluk ile modellenebileceği gösterilmiştir. Dümenler akışı bozan özellikte olduğundan dolayı araç yağmur oluğuna ait olan test verisi, sualtı aracının hidrodinamik olarak sayısal benzetim öncesinde yöntemin doğrulanması anlamında kullanılmıştır. Belli bir akışa maruz kalan araç yağmur oluğu üzerinde sayısal benzetim yapılmıştır. VP1304 pervanesinde kullanılan sayısal parametreler ve teknikler burada da uygulanarak elde edilen sonuçlar test verileri ile karşılaştırılmıştır. Yüzeylerde oluşturulan sınır tabaka kalınlığı küçük tutulmuştur. İkinci derece ayrıklaştırmalar tercih edilmiştir ve basınç tabanlı çözücü kullanlmıştır. Oluk çevresine belli aralıklarla yerleştirilmiş olan basınç ölçerler aracılığı ile elde edilmiş boyutsuzlaştırılmış basınç verisi, sayısal sonuçlar ile karşılaştırıldığında bir basınç ölçer hariç birbiri ile örtüşen mükemmele yakın uyum gözlemlenmiştir. Ayrışma gösteren algılayıcı verisi azami yüzde 15 mertebesinde farklılıklar göstermiştir. Hidrodinamik anlamda yeterli doğrulukta netice alındıktan sonra akustik çözümlerin doğruluğunu sınamak için test verileri mevcut olan deneysel çalışmalardan faydalanılmıştır. Hidrodinamik ve akustik ölçekleri birbiri ile büyük oranda farklılık gösterdiği için, ses yayılımını hesaplamalı aeroakustik ortamda modellemek ve Doğrudan Sayısal Benzetim (DNS) kaynak bilgisi toplayarak gürültü tahmini yapmak endüstriyel akışlar için ne yazık ki mümkün değildir. Bunun yerine Lighthill, Ffowcs Williams Hawkings (FWH) ve Curle gibi bazı akustik analojilerden faydalanılmıştır. Bu analojiler ile ses yayılım denklemi önceden elde edilmiş ses kaynak bilgisi kullanılarak çözülmüştür. Monopol, dipol ve quadrupol olarak sınıflandırılan ses kaynakları sayısal akışkanlar dinamiği kullanılarak elde edilen çözümlemeler ile rahatlıkla bulunabilmektedir. Bu maksatla oldukça küçük zaman adımları ile yüksek yoğunluklu ağ örgüsü kullanılarak çözümleme gerçekleştirilmelidir. Aynı zamanda, akustik ayrıklaştırma derecelerinin yeterliliği sınır şartlarının doğru tanımlanması ve hidro/aerodinamik benzetimlerin uygunluğu kritik öneme sahiptir. Bu aşamada ilk olarak silindir üzerinde gelişen bir akışın, uzak alan akustik yöntemi kullanılarak elde edilen test verilerinin doğrulama amacıyla faydalanıldığı, akustik benzetimler gerçekleştirilmiştir. Yine benzer şekilde sıkı ağ örgüleri ile ayrıklaştırılan üç boyutlu silindir yapısının üzerindeki basınç bilgisi kaynak terim olarak ses yayılım denklemine gömülmüş ve FWH analojisi yardımı ile akustik alan çözülmüştür. Belli uzaklıklara yerleştirilmiş olan mikrofonlar aracılığı ile dinleme yapılmış ve kayıt tutulmuştur. Frekans alanında kayma gerçekleştiği için ölçeklendirme yapılmış ve ses basınç seviyeleri test verisi ile karşılaştırılmıştır. Doğrudan çözüm tekniği oldukça tutarsız sonuçlar vermesine karşın FWH analojisinin çıktıları test ile örtüşmektedir. Bir sonraki aşamada, belli bir hızdaki akışa tabi tutulan yağmur oluğu üzerinde zamana bağlı değişen basınç bilgisi hidro/aerodinamik doğrulama sürecinde elde edilmiş ve kaynak bilgisi olarak akustik çözücüye taşınmıştır. Hibrit Lighthill tekniği ile sayısal modelleme gerçekleştirilerek akustik spektrum elde edilmiştir. Sonuçların tatminkar doğrulukta olduğu gözlemlenmiştir. Buraya kadar elde edilen birikim, VP1304 pervanesinin kavitasyon tüneli içinde çalışırken üç adet hidrofon yardımıyla algılanan gürültüsünün modellenmesinde kullanılmıştır. Hesaplamalı akışkan benzetimi ile akustik çözümleme hibrit olarak birbiriyle ilişkilendirilmiştir. FWH analojisi tercih edilerek sonuca gidilmiş ve Hızlı Fourier Dönüşümünden (FFT) faydalanılarak kanat geçiş frekansları ve harmonikleri ortaya konmuştur. İkinci algılayıcıya ait birinci harmonik bilgisi büyük oranda ayrışma gösterirken, algılayıcılardaki ikinci ve üçüncü harmonikler tatmin edici çözünürlükte hesaplanmıştır. Kavitasyon tüneli duvarlarının ölçüm yapılan alana yakın olması ve ses yansımalarının etkisi ile sinyal verisinin baskılanması sonuçlara etki edebilecek olumsuz bir faktör olabileceği değerlendirilmiştir. Hidrodinamik ve akustik doğrulamalar sonucunda sualtı aracı üzerinde hidroakustik çalışma gerçekleştirilmiştir. Jenerik bir yapıya sahip olan sualtı aracı modeli iki adet ters yöne farklı devirlerde dönen pervaneden ve dümenlerden oluşmaktadır. Yapıların birbiri ile etkileşim halinde çalışıyor olması ve basınç etkileşimlerinin yoğun yaşanması akustik modellemeyi zorlaştıran unsurlardır. Bu nedenle LES ile üç boyutlu zamana bağlı ikinci dereceden akış analizi gerçekleştirilmiştir. Yine daha önce söz edildiği gibi Kayar Ağ yöntemi sayesinde pervanelerin dönmesi modellenebilmiştir. FWH ve Lighthill benzeşimleri hibrit olarak hidrodinamik kaynaklara iliştirilmiş ve neticede akışkan ortamındaki ses yayılımı bulunmuştur. Gövde ve pervaneler için ayrı ayrı spektrum dağılımı, ses yönelimi ve akustik iz sınıflandırması yapılmıştır. Gürültü kaynaklarının nereden gelebileceği ile ilgili sanılar ve değerlendirmeler yapılmıştır. Vibroakustik çoğu uygulamada baskın gürültü olarak karşımıza çıktığı için sualtı aracına gürültü yapabilecek yapay kuvvetler uygulanmıştır. Doğrudan yapısal ve akustik çözüm birbiri ile ilişkilendirilerek sistemdeki titreşimin neticesinde ortamda oluşabilecek gürültü karakteristiği bulunmaya çalışılmıştır. İşlemci ve bellek kapasitesi Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) uygulamalarında oldukça önemli olduğu için en yüksek frekans seviyesi 2 kHz civarına sınırlanarak sonuca gidilmiştir. Farklı frekanslara ait genlikler oktav banttan faydalanılarak bulunmuş ve orta bantta oldukça yüksek genlikler gözlemlenmiştir. Bu nedenle keyfi oluşturulmuş olan yapay titreşim verisine ait tahrik deplasmanlarının yüksek mertebede seçildiği sonucuna varılmıştır. Hidroakustik ve vibroakustik olarak alıcı noktalarında gürültü tayini yapılabildiği için dijital sonar tasarımında bu bilgilerden faydalanılarak gürültü benzetimi yapılmıştır. Belli koordinatlarda bulunan iki adet kaynaktan, keyfi seçilmiş düzlemsel sonar dizini üzerine planar ses dalgası gönderilmiş ve sinyal yönlendirmesi yapılarak hüzmelendirme ile sesin geliş yönü tayin etmek için algoritma geliştirilmiştir. Gelen sinyalin istenilen doğrulukta yönü tayin edilebildiğinden sualtı aracının gürültü verisi üzerinde çalışılmış ve geliş yönü akustik iz bilgisinden bulunmaya çalışılmıştır. En yüksek frekans limitlendiği için sonar boyutları büyütülmek zorunda kalmış ve 3 kHz civarında geleneksel yöntemlerle faz kaydırmalı huzmelendirme tekniğine başvurulmuştur. Dijital sonar tasarımı herhangi bir donanım elemanı temelli oluşturulmamış huzmelendirme algoritması ve sinyal işleme üzerine odaklanılmıştır. Hibrit olarak elde edilmiş hidro-vibroakustik bilginin sonar tasarımı için sinyal girdisi olarak kullanılabileceği ve oluşturulmuş huzmelendirme algoritmasının su altı aracının geliş yönünü büyük doğrulukla saptamada faydalanılabileceği görülmüştür.