Gemi Pervanelerinin Çoklu Blok Çözüm Ağları
21-09-2020

Gemi Pervanelerinin Çoklu Blok Çözüm Ağları

Geliştirme Arayışı


Denizcilik; birim maliyetlerinin oldukca düşük olmasından dolayı taşımacılıkta ve küresel ekonomide önemli bir yere sahiptir. Çevresel ve ekonomik regulasyonlardan dolayı, gemilerin sağlaması gereken yüksek verimlilik isterleri ancak tasarım değişiklikleriyle gemilerdeki  hidrodinamik verimliliğini arttırılması ile mümkündür.  Genel sevk verimliliğinin arttırılması sadece yakıt maliyetini düşürmek değil aynı zamanda denizcilik sektörünün neden olduğu çevre kirliliğini minimuma indirmektir.
Gemi pervanesi hidrodinamik performansı,  gemilerin genel sevik verimliliğinde en önemli unsurlardan biridir. Pervane kanatları; dönme hızı, kanat yüzeyine etki eden basınç ve sağlaması gereken tahrik gereksinimlerine göre değişik şekillerde ve boyutlarda tasarlanabilmektedir.


Pervanelerin hidrodinamik performanslarını maksimize etmeye odaklanan çalışmalarda;  oluşturulacaktasarım parametreleri ile pervanenin yalnızca verimliliğini arttırmak değil, ayrıca gürültü seviyesini düşürmek, kavitasyon hadisesini elimine etmek gibi farklı parametreleri de ele almak mümkündür. Bu faktörler, günümüzde pervane tasarımların geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır.

İlk pervane geliştirme çalışmalarında ;, yalnızca prototip modellerin test edilmesinden elde edilen sonuçlar referans alınmıştır. İlerleyen dönemlerde, tasarımcıların deneylere ihtiyaç duymadan tasarım değişkenlerinin performanslarını öngörmelerini sağlayan empirik modeller geliştirilmeye başlanmıştır. Bu yaklaşım oldukça kullanışlı olduğu halde; empirik yöntemler, tutarlı sonuçlar vermemektedir. İlerleyen dönemlerde, pervanelerin etrafındaki havayı analiz etmek için kullanılan nümerik yöntemler popüler hale gelmiştir. Fakat son on yıllarda; RANS yöntemine dayalı çözücüler, pervane performansı hesaplamalarında en çok kullanılan metod halini almıştır.

 

Şekil 1: Bir deniz pervanesinin çoklu blok çözüm ağı

 

Pervanelerin Çözüm Ağlarının Oluşturulması

 

HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) araçlarının yetenekleri gün geçtikte artmaktadır. Fakat, bir HAD simülasyonunun sonuç kalitesini grid (mesh) türü ve kalitesine doğrudan bağlıdır. 

Yüksek rake oranlı bir gemi pervanesinin etrafında, çoklu blok mesh yapısı oluşturulması oldukça zordur. Bir çok çözücü yazılım; structure grid yapılarından uzaklaşmış, bunun yerine hibrit, çokgen, kartezyen gibi unstructured çözüm ağlarına yönelmiştir. Her ne kadar unstructure gridler sonucun doğruluğunu azaltsada, HAD yöntemlerinde, oldukça geniş bir kullanım alanina sahiptir. Hibrit mesh yapısı üretiminin yarı otomatize doğası, unstructure çözüm ağlarını çekici hale getirmektedir. Fakat, yerel akış odaklı ayrıntılı bir analiz yapılmak isteniyorsa, structure mesh yaklaşımı tercih edilen bir yöntemdir. Grid yapısı, HAD sonuçlarında oldukça önemli bir yere sahiptir. Structure ağların üretilmesinde zorluklar olmasına rağmen, daha az mesh sayısıyla geometrik ayrıntıların daha iyi yakalanması, çözücü kalitesinin arttırılması, nümerik hesaplamaları basitleştirilmesi, hesaplama sürelerinin önemli ölçüde azaltması gibi bir çok fayda sağlamaktadır.

 

HAD  konusunda uzman mühendislerin structure mesh yapısını seçmesi için bir başka önemli sebep ise; ağ yakınsaması (Grid Convergence) çalışmasının çok daha kolay yapılabilir olmasıdır. Mesh topolojisi bir kere yaratıldıktan sonra; mesh yapısını sistematik bir şekilde iyileştirmek ve geometrik olarak eş değer mesh yapılarının üretmek oldukça basittir. Structure mesh yapısının kullanıldığı HAD analizleri , unstructure mesh yapısı ile yapılan hesaplamalardan çok daha iyi sonuçlar elde edilmesini sağlayabilmektedir.

 

Gridpro ile; karmaşık geometriler için topoloji kurmaktaki zorluk, dinamik sınır uyumu (ing. Dynamic Boundary Condition) özelliği ile kolaylaştırılabilir. Ayrıca geometrinin etrafındaki mesh yapılarına manuel olarak müdahaleler yapılabilir ve boş alanlarda hızlı bir şekilde mesh yapısı oluşturulabilir. Kritik noktalara ‘enriching’ gibi araçlarla daha yoğun mesh yapıları  yerleştirilebilirken, alan sınırlarından uzaklaştıkça ‘nesting’ gibi araçlarla ağ yapılandırmaları kısa sürede değiştirilebilir. Bu şekilde, GridPro hem structure mesh hem de unstructure mesh yaklaşımlarının en verimlisini sağlamaktadır.

Blog yazısının geri kalan kısmında, deniz pervanesi kanatlarının GridPro kullanılarak mesh yapılarının oluşturulma aşamalarını gösterilmektedir.
 

Şekil 2: Pervane kanadında oluşturulan mesh yapısı

Yapılandırılmış Çoklu Blok Yaklaşımıyla Pervane Çözüm Ağı Oluşturulmasının Genel Adımları

GridPro’da, pervane modeli mesh yapısının oluşturulması için 3 farklı yaklaşım kullanılmaktadır. Bu, bottom-up, top-down veya ikisini birleştiren hibrit bir yaklaşım olabilir. Basit tasarımlı kanatlar için bottom-up yaklaşımı kullanışlı iken, hatve oranı yüksek kanatlarda bottom-up veya hibrit yaklaşımlar daha uygundur. 

  • Bottom-up yaklaşım adımları anlatılacak
  • Hibrit yaklaşım ise bir video ile gösterilecektir

 

Bottom-Up Yaklaşımı

Şekil 3: 2 boyutlu profil gridi a) Kesit görüntüsü b) Kanada göre iki kesitin izometrik görüntüsü 

İki Boyutlu Profil

 

Gemi pervanesi için bloklu çözüm ağı oluşturulmasına iki boyutlu bir topoloji oluşturulmakla başlanır. Pervane kanatlarında, skew ve rake oranları gibi geometrik özellikleri sebebiyle mesh yapısı üretimini zorlaştırmaktadır. Bazı durumlarda doğrudan 3 boyutlu grid blok yapıları yaratılması zor olacağı için şu yaklaşım kullanılabilir: tercihen maksimum ‘chord’ noktasında iki boyutlu profilin oluşturulması ve bu profilin leading edge’inden trailing edge’ine doğru genişletilmesi yöntemi 3-boyutlu grid oluşturma için kullanılabilecek yöntemler olabilir. Şekil-3’te pervane orta kesitinden iki boyutta profil gösterilmiştir. 
 

 

Şekil 4: İki boyutlu profilin kesitler (katmanlar) ile genişletilmesi 

 

Kanat Boyunun Kaplanması

İki boyutlu profil oluşturulduktan sonra, kanat boyunca ilerleyen kesitlere oluşturulan profil taşınır. Profil  kanat boyunca kesitler halinde taşındıkça, üç boyutlu bloklar oluşur. Aradaki bölümlere, dönme, taşıma ve ölçeklendirme gibi işlemler uygulanabilmektedir.  Şekil 4’te 2 boyutlu profil genişletildikçe oluşan üç boyutlu grid blokları gösterilmiştir.
 

Şekil 5: Blokların doğru konumlanması için yapılan katmanlandırma 

 

Katmanlandırılmış Bloklar

Yüksek rake ve skew oranına sahip bir kanatta, kanadın iki tarafında homojen olarak mesh yapısı oluşturulması zor bir prosestir. Bu, aynı zamanda kanat duvarlarında blokların ve periyodik sınırlardaki düzenli O-H topolojisinin ortogonallik değerlerini sağlama almayı zorlaştırmaktadır. Doğru bir katmanlandırma, mesh yapılarının giriş/çıkış’tan periyodik sınır koşullarına doğru kanalize olmasını sağlamakla birlikte kalitesi yüksek mesh yapılarının oluşturulmasını kolaylaştırır. Şekil 5’te, 2 boyutlu katmanlandırılmış kesit gösterilmiştir. 
 

Şekil 6: Blokların sarmalandırması : a) Kanat ucunu saran bloklar b)Tekerlek göbeğini saran bloklar  

 

Blokların Kanat Etrafında Wrap’lenmesi (Sarmalandırma)

Mesh yapıları, kanat ucu etrafında birleşmekte ve O-grid oluşturmak için wrap yöntemi uygulanmaktadır. Böylece, kanat ve gövde tekerleği etrafına ortogonal blokların yerleşmesi sağlanmaktadır.
 

Şekil 7: Yerel mesh yapısı yoğunluğunun arttırılması için yapılan 'enrichment' yöntemi 

 

Mesh Yapılarında Yerel İyileştirme

Kanadın leading edge ve trailing edge gibi yüksek gradyanlı, aktif akış yüzeylerine daha yoğun mesh yapıları uygulanmalıdır. Katman kavitasyonunun sağlanması için, kanat leading edge’ine bir katmanlık enrichment yöntemi uygulanır. Şekil 7’de, iki farklı yaklaşımla yapılmış yerel mesh yapısı iyileştirmeleri gösterilmektedir.  
 

Şekil 8: Dolgu (Fillet) etrafındaki ağ

Fillet Bölgelerinde Mesh yapısı Oluşturma

Kanat-gövde birleşim noktalarındaki fillet bölgeleri mesh yapısı kalitesinde önemli bir yere sahiptir. Fillet bölgelerinin yerel olarak iyileştirilmesi, yüksek mesh yoğunluğu sağlar. Şekil 8, bir fillet bölgesinde oluşturulmuş mesh yapısını göstermektedir.

 

Şekil 9: Ağın kanadın dışında azaltılması için yapılan 'Nesting' yöntemi

 

Nesting Yöntemi

Kanadın grid yoğunluğu genellikle yüksektir. Ancak, kanat dışındaki mesh yoğunluğu, akış analizlerine önemli bir katkı yapmadan hesaplama maliyetini arttırır. GridPro’da, grid yoğunluğunun kanatlardan sınırlara doğru sistematik bir düzende azaltılması için, ‘nesting’ yöntemi kullanılmaktadır.  Şekil 9’da, bir pervanede ‘nesting’ yöntemi kullanılarak yapılmış mesh yoğunluğunun düşürülmesi işlemi gösterilmiştir.
 

 

 

Video 1: Bir propeller kanadının mesh yapısının hibrit yaklaşım metoduyla oluşturulması

Açıklanan çoklu blok oluşturma aşamaları, pervane kanatlarında yüksek kaliteli mesh yapısı sağlamaktadır. Bu aşamaların kodlanması, bütün mesh yapısı oluşturma sürecini otomatize etmeye yardımcı olacaktır. Üstelik, oluşturulan topolojinin optimizasyon döngülerinde tipik olan küçük değişikliklere sahip farklı kanat profillerinde tekrar kullanılabilmesini sağlanacaktır.