Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Anabilim Dalı

2014

2D free surface impact tests with triangular shaped wedges

Üçgen kesitli bloklar için sakin su yüzeyinde 2 boyutlu çarpma deneyi

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 349733

Tezi Bul
Özet:

Katı cisimlerin suya girişi dizayn açısından önemli bir problemdir. Katı cismin sıvıya çarpma anında maruz kaldığı basınç ve kuvvet ayrıca çarpma anında çıkardığı dalga, tasarım açısından belirleyici faktörlerdir. Gemilerin dalgalı denizlerde baş-kıç vurması, serbest düşme tipi can sallarının kurtarma operasyonlarında suya girişi ve yüksek hızlı teknelerin hızlı seyir halinde iken veya dalgalar arasında seyir halinde iken baş-kıç vurması nedeniyle dövünmesi gemi tasarımında katı cismin sıvıya çarpmasına gösterebilecek en önemli örneklerdir. Dövünme esnasında, gemi maruz kaldığı kuvvet ve basınca dayanamayacak şekilde yetersiz dizayn edilmiş ise, bu gemi görevini yerine getiremez hale gelebilir, yaralanmalar hatta can kayıpları ve geminin kaybına yol açan olaylar zincirine sebep olabilir. Serbest düşme tipi can filikalarında ise, serbest düşme kullanılarak yapılan tahliye sırasında can filikası düzgün dizayn edilmemiş ise maruz kaldığı kuvvetler ve basınç dolayısıyla can salı içerisindeki yolcuların can güvenliği tehlikeye girebilir, dizayn hataları yaralanmalar ve hatta can kayıplarına sebep olabilir. Dolayısıyla bu problem dikkatli bir şekilde incelenmelidir. Kritik durumlar iyi bir şekilde analiz edilmeli ve bu analizler sonucunda can ve mal güvenliğinin korunması sağlanmalıdır. Bu tezin birinci bölümünde katı-sıvı çarpışma problemi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu problem üzerinde etkisi olan faktörler ve bu faktörlerin nasıl modellenebileceği bu bölümde tartışılmıştır. İkinci bölümde ise literatür taramasına yer verilmiştir. Konu ile ilgili ilk çalışmalar ve araştırmacıların bu konuya yaklaşımı, araştırma şekilleri, deney yapmışlar ise kurdukları deney düzenekleri ve bulunan sonuçlar incelenmiştir. Üçüncü bölümde deney düzeneğinin tasarımı ele alınmıştır. Deney düzeneğinin parçaları, kullanılan ekipmanlar ve yazılımlar tanıtılmıştır. Bu bölümde ayrıca deneyin üç değişkeninden bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde ise deneyden elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Bu bölümde her bir parametrenin basınca etkisi incelenmiştir. Ayrıca yüksek hızlı kamera kayıtları da kullanılarak çarpma anında dalga formu ve suyun davranışı incelenmiştir ve her parametrenin çarpma dolayısıyla oluşan dalga formuna etkisi karşılaştırılmıştır. Beşinci ve son bölümde ise sonuç bölümü yer almaktadır ve deney sonuçları tartışılmıştır. Parametrelerin dizayn üzerindeki etkilerinin ne şekilde olabileceği üzerinde durulmuştur. Bu bölümde ayrıca gelecekte yapılabilecek ek çalışmalar ve deney düzeneğinde yapılabilecek düzeltmeler ile yapılacak ek çalışmalar da ele alınmıştır. Konu ile ilgili yapılan literatür taramasında, deneysel, nümerik ve analitik yöntemler ile konuya yaklaşım yapıldığı görülmüştür. Chuang (1966) yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda, analitik bir tahmin methodu geliştirmiştir. Yettou (2006), kesit açıları 15° ve 35° arasında değişen 5 farklı blok ile yaptığı deneysel çalışmanın sonucunda yükseklik ve ağırlığın etkisini ihmal edilebilir düzeyde, kesit açısının ise önemli bir faktör olduğu sonucuna ulaşmıştır. Lewis ise yaptığı deneylerde, düşme anında 25° kesit açılı bir bloğun maruz kaldığı basıncı ve ivmeyi ölçmüştür. Lewis deneysel dataları, yüksek hızlı kamera ile yaptığı kayıtlar ile karşılaştırmış ve Yettou'nun sonuçlarına benzer olarak kütle ve yükseklik değişiminin etkisini ihmal edilebilir olarak bulmuştur. Bu çalışma, söz konusu problem ile ilgili literatürde üç parametreyi, yüksek hızlı görüntüleme teknikleri ile inceleyen çalışma eksiğini kapatması amacı ile yapılmıştır. İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesinde yapılan bu çalışmada, bu problem üzerinde etkisi olan faktörler yeni tasarlanan deney sistemiyle incelenmiştir. Deney sisteminde bir tank, düşme mekanizması ve düşme ağırlığının istenilen şekilde ayarlanabilmesi için ters ağırlık mekanizması bulunmaktadır. Deney için 1.3 metre boyunda 0.6 metre genişliğinde ve 0.6 metre derinliğinde tank yapılmıştır. Tank içerisine ise 0.4 metre seviyesine kadar su doldurulmuştur. Tank deneyin yüksek hızlı kamera ile rahat bir şekilde kayıt altına alınabilmesi için mümkün olduğunca küçük imal edilmiş ve tankın bütün duvarlarında görüntüleme ve ışık için saydam pleksiglass kullanılmıştır. Cam ve blok arasında fazla mesafe kaldığı taktirde cam ve blok arasına sıkışan su, oluşan dalganın üzerine çıkarak olayın görüntülenmesini engellemektedir ve problem iki boyuttan üçüncü boyuta geçmektedir. Problemin iki boyutlu olarak incelenebilmesi için, deney tankının ön ve arka kısmındaki camlar, düşen blok ile 1 mm kalacak şekilde yerleştirilmiştir. Böylece, problem iki boyutlu olarak ele alınarak seçilen üç parametrenin olay üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca tasarlanan düşme mekanizmasında bloğun üzerinde hareket ettiği 4 adet sürtünmesiz mil ile bloğun her denemede aynı şekilde suya düşmesi sağlanmıştır. Ek olarak konulan ters ağırlık mekanizması ile de düşen bloğun ağırlığı ve düşme yüksekliği istenilen şekilde ayarlanabilmektedir. Tutarlılık kontrolü için her deney en az iki kere tekrarlanmıştır. Farklı kesit açılarına sahip dört üçgen prizma bloklar farklı yüksekliklerden ve farklı ağırlıklarla sakin su yüzeyine serbest düşürülmüştür. Yüzey ile yaptığı açıları 15°, 30°, 45°, 60° olan bloklar 4 kg, 6 kg, 8 kg ağırlık kombinasyonları ile 0.3 m, 0.6 m, 0.9 m yüksekliklerden düşürülmüştür. Ağırlık değişimleri ile farklı deplasman kombinasyonları denenmiş, düşme yüksekliği değişimi ile de farklı deniz durumlarında yüksek hızlı teknelerin davranışı ve can filikalarının farklı yükseklikteki gemi veya platformlardan suya düşüşünün modellenmesi amaçlanmıştır. Çarpma anında blokların maruz kaldığı basınç, bloklar üzerine farklı yüksekliklere yerleştirilen üç adet basınç sensörü yardımıyla, saniyede 1000 veri kayıt hassasiyeti sağlayan Labview programı ile kayıt altına alınmıştır. Bloklar üzerine yerleştirilen sensörlerden alınan veriler yardımıyla blokların maruz kaldığı en büyük basınç ve basıncın blok üzerinde düşey olarak değişimi de incelenmiştir. Aynı zamanda düşme anı saniyede 1000 kare kayıt kapasiteli yüksek hızlı kamera ile kayıt altına alınarak çarpma anında suyun hareketi incelenmiştir. Yüksek hızlı kamera kayıt yapılabilmesi için dalgalı değil sürekli olarak ışık sağlayabilen ışık kaynakları gerekmektedir. Dolayısıyla yüksek hızlı kamera ile yapılan kayıtlar esnasında iki farklı ışık kaynağı test edilmiştir. Öncelikle, temin edilen 100mW gücünde laser tankın alt kısmına konarak, laserin yarattığı düzlemsel ışık ile kesit alınarak kayıt yapılmıştır. Sonraki denemelerde ise 150Watt gücünde 4 adet metal-halojen lamba ile daha ayrıntılı çekimler yapılmıştır. Yüksek hızlı kamera kayıtları incelendiğinde dalga hareketi, dalga yüksekliği gibi verilere ulaşılabilmektedir. Çarpma esnasındaki dalga hareketi ve maksimum dalga yüksekliği, bloğun suya aktardığı enerji hakkında bilgi vermektedir. Deneyler sonucunda test edilen parametrelerin basınç üzerine etkisi incelenmiştir. Bu parametrelerden blok ağırlığı potansiyel enerjideki değişim (ve çarpma hızındaki değişim) dolayısıyla bloğun maruz kaldığı basınca etkisi olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Blok ağırlığı arttırıldığında, blok üzerine uygulanan basınç da artmaktadır. Aynı şekilde yine serbest düşme yüksekliğinin, yine potansiyel enerjideki değişim nedeniyle bloğun maruz kaldığı basınca etkisi olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bloğun düşme yüksekliği arttıkça, blok üzerine etkiyen basınçlarda da artma gözlemlenmiştir. Hem ağırlık değişiminin hem de yükseklik değişiminin basınç değerleri üzerinde etkili parametreler olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Kesit açısının ise söz konusu problem üzerinde etkisi büyüktür. Su ile yapılan açı azaldıkça, bloğun maruz kaldığı basınç önemli bir şekilde artmaktadır. Ek olarak, blok üzerinde farklı pozisyonlara yerleştirilen sensörlerden de en yüksek basınç değerleri beklenildiği üzere her seferde suya en yakın sensörden alınmamıştır. Blok açısına bağlı olarak, en büyük basınca maruz kalan sensör konumu değişmektedir. Su ile yapılan yüksek açılarda, en yüksek basınç teknenin kaidesine daha yakın pozisyonlarda yer almaktadır. Ancak, su ile açı azaldığında maksimum basıncın yeri, bloğun daha üst kısımlarına doğru kaymaktadır. Ayrıca, aynı blok için çarpma hızı arttığında da en büyük basıncın yeri, blok üzerinde daha üst noktalara taşınmaktadır. Dizayn esnasında dizaynı yapılan deniz aracının üzerine suya giriş anında gelecek en büyük basınç yerleri dikkatle incelenmeli ve bu bölgeler yapısal olarak güçlendirilmelidir. Basınç ölçümlerine ek olarak yüksek hızlı kamera ile yapılan video kayıtları da incelendiğinde yükseklik ve ağırlık değişiminin dalga yükseklikleri ve dalga kırılması olaylarının süreleri üzerinde etkisi olduğu görülmüştür. Bloğun serbest düşme yüksekliği arttırıldığında bloğun suya giriş anında yarattığı dalga yüksekliğinin de arttığı gözlemlenmiştir. Blok ağırlığı arttırıldığında bloğun suya giriş anında yarattığı dalga yüksekliğinin de arttığı gözlemlenmiştir. Basınç değerlerindeki sonuçlar ile uyumlu olarak, su ile yapılan açı azaldıkça, dalga yüksekliklerinde artış olmuştur. Söz konusu üç parametrenin de dalga yüksekliği üzerinde etkisi olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Yüksek hızlı kamera kayıtlarından aynı zamanda dalga kırılma süreleri de incelenmiştir. Bloğun serbest düşme yüksekliği arttırıldığında dalga kırılma süreleri de artmaktadır. Aynı şekilde blok ağırlığı arttığı taktirde dalga kırılma süreleri artmaktadır. Bloğun kesit açısı arttığında ise bu süre kısalmaktadır, hatta en dik açıya yakın blok olan 75° açılı blokta dalga kırılması gözlemlenmemiştir. Suya ani çarpma hareketi yapan ve suya baş-kıç vurma hareketine maruz kalacak teknelerin dizaynında, su ile düşük açılar yapan kesitlerden kaçınılmalı ve daha yüksek giriş açılarının kullanılması üzerine optimizasyon yapılmalıdır. Belli formda üretilecek teknelerde ise ağırlık azaltılması yoluna gidilebilir. Dalgalı denizlerde seyir edecek tekneler için ise analiz yapıldığında problem oluşabileceği sonucuna varılırsa bu deniz durumunda daha düşük hızlarda seyir etmesi hem tekne ve yolcu güvenliği hem de yolcu konforu açısından faydalı olacaktır. İleride yapılacak çalışmalarda, deney sonuçları da kullanılarak bilgisayarlı akışkanlar mekaniği programları ile bir tahmin methodu geliştirilmesi planlanmıştır. Deney şartları söz konusu programlar ile modellenerek, bu programdan alınan sonuçlar, deney sonuçları ile karşılaştırılacaktır. Bu problemin bilgisayarlı akışkanlar mekaniği programları ile karşılaştırılabilmesi için yeterli veri oluşmuştur. Böylece, hesaplamalı akışkanlar mekaniği methodu ve yazılımlarının, iki boyutlu ve üç boyutlu suya çarpma problemlerinde kullanılabilmesi için doğrulama veri tabanı oluşturacaktır. Bu sayede bu yöntemlerin gerçek kesitli teknelerde etkili ve tutarlı bir şekilde kullanılıp kullanılamayacağı test edilmiş olacaktır.

Summary:

Solid-water impact is an essential design problem. Pressure exerted on a solid at the moment of impact or behaviour of free surface at the moment of impact are critical factors on the design process. Pitching of a ship at sea or launch free-fall life boat are the best examples for solid-water impact in the maritime industry. Neither ship, or nor free-fall boats should suffer damage at the moment of impact on water. Pressure exerted on boats can reach very high values that could cause the ship or free-fall to be inoperable, even can cause injuries or death. Thus impact phenomena must be investigated carefully during the design phase. An experimental study was carried out to find the influence of deadrise angle, drop height and weight of a triangular wedge on impact pressure and behaviour of free surface during water impact. Previous studies on this subject focuse on drop height, weight and dead-rise angle of a wedge. Yettou (2006) points that the mass and drop height of the wedge negligible. Also, Lewis' study (2010) shows that the effect of the height and mass are very small. Drop tests were applied to four wedges with different deadrise angles with three different mass loading from three different drop heights. Each drop recorded with a high speed camera in order to conduct image processing analysis. A 2D laser sheet and metal halide lamps are used as light source. Pressure was also measured using pressure transmitters. Each experiment repeated twice to test the repeability. It is found that pressure exerted on sensors increases with the increase of mass and height. But effect of both mass and height of wedge are small compared to effect of deadrise angle of the wedge. Pressure exerted on the wedge decreases with increasing deadrise angle. Also, maximum wave heights and plunging duration of the wave caused by impact are analysed from the videos taken with high speed camera. Both wave heights are plunging durations are affected by the wedge mass and drop height of the wedge. But also on the image analysis side, dead rise angle of the wedge has more effect on both criterias. In conclusion, small dead-rise angles should be avoided for safer designs for boats or free-falls. Both peak pressure and wave heights increases as the deadrise of wedges decreases. In addition, location of peak pressure on the wedge varies also with the deadrise angle and impact velocity of the wedge. Peak pressure is located closer to bottom of the wedge at high deadrise angles, but as the deadrise angle rises maximum pressure occurs at higher positions than bottom of the wedge and also pressure occurs higher positions at higher impact speeds. Position of maximum pressure on boat should be analyzed on design stage and extra support elements should be put on stress positions. As a future study, Computational Fluid Dynamics (CFD) of this study can be conducted to understand the physics further. The system can be structured in CFD software or unique user defined code and the experiment results can be used to validate CFD. Consistency of both results shows that CFD modelling can be used in this phenomena or not.