Türbülans modellerinin DARPA SUBOFF statik sürükleme testi üzerinden incelenmesi

Yıl 2022, Cilt: 37 Sayı: 3, 1509 - 1522, 28.02.2022

Hediye Atik

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.748378

Öz

Bu çalışmada DARPA SUBOFF su altı aracının manevra benzetimlerinde kullanılacak hidrodinamik katsayılarının hesaplanmasında izlenecek yöntem statik sürükleme (İng. static drift) test benzetimleri ile belirlenmiştir. Su altı araçlarının manevralarının belirlenmesinde kullanılan hidrodinamik katsayıların sayısal olarak yeterli doğrulukta elde edilmesi, çözümlemelerde kullanılan çözüm ağı ve türbülans modelleri ile ilişkilidir. Çalışmada ticari yazılım olan ANSYS Workbench yazılımı kullanılmıştır. Uygun çözüm ağı büyüklüğünün belirlenmesi Richardson Extrapolation metoduna dayalı Grid Convergence Index (GCI) yöntemi ile yapılmıştır. Bu yöntemle Spalart Almaras türbülans modeli kullanılarak üç farklı çözüm ağı büyüklüğü ile elde edilen sonuçların etrafındaki ayrıklaştırma hata bandı tahmin edilmiştir. Bunun yanısıra bu çözümler 14 milyon Reynolds sayısında 0 ila 18 derece yana kayma açılarında yapılan testlerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Eleman sayısındaki artış ile çözümleme sonuçlarının deneysel veriye yaklaştığı gözlenmiştir. Uygun çözüm ağı seçiminin ardından Realizable k-ε ve SST k-ω modelleri ile analizler tekrarlanarak türbülans modeli opsiyonları incelenmiştir. Çalışmanın sonucunda, 18 derece yana kayma açısına kadar bir-denklemli Spalart Almaras türbülas modelinin pratik uygulamalar için uygun olduğu değerlendirilmiştir. Yüksek kayma açılarının ele alınması gereken durumlarda iki-denklemli SST k-ω türbülans modelinin kullanımının tekrar değerlendirilmesi tavsiye edilmektedir.

Anahtar Kelimeler

Hidrodinamik katsayılar, HAD, ayrıklaştırma hatası, GCI, türbülans modelleri

Kaynakça

• Jeans T.L., Watt G.D., Gerber A.G., Holloway A.G.L., and Baker CR., High Resolution Reynolds Averaged Navier Stokes Flow Prediction Over Axisymmetric Bodies With Tapered Tails, AIAA Journal, 47 (1), 19-32, January 2009.
• Liu H.L., and Huang T.T.H., Summary of DARPA Suboff Experimental Program Data, Naval Surface Warfare Center, Carderock Division, Report Number: CRDKNSWC/HD-1298-11, 1998.
• Groves N.C., Huang T.T., and Chang M., Geometric Characteristics of DARPA Models (DTRC Model nos. 5470 and 5471), DTRC/SHD-1298-01, March 1989.
• Huang T.T.H., Liu H.L., and Groves N.C., Experiments of DARPA SUBOFF Program, DTRC/SHD-1298-02, December 1989.
• Roddy R.F., Investigation of Stability and Control Characteristics of Several Configurations of the DARPA SUBOFF Model (DTRC 5470) from Captive-Model Experiments, DTRC/SHD-1298-08, September 1990.
• Huang T., Liu H.-L., Groves N., Forlini T.J., Blanton J.N., and Gowing S., Measurements of Flows Over an Axisymmetric Body with Various Appendages in a Wind Tunnel: The DARPA SUBOFF Experimental Program, Proceedings 19th Symposium on Naval Hydrodynamics, National Academy Press, Washington D.C., pp.321-346, 1994.
• Lin Y.H., Tseng S.H., and Chen Y.H., The Experimental Study on Maneuvering Derivatives of a Submerged Body SUBOFF by Implementing the Planar Motion Mechanism Tests, Ocean Engineering, 170, 120-135, December 2018.
• Shadlaghani A., and Mansoorzadeh S., Calculation of Linear Damping Coefficients by Numerical Simulation of Steady State Experiments, Journal of Applied Fluid Mechanics, 9 (2), 653-660, 2016.
• Sung C.H., Griffin M.J., Tsai J.F., and Huang T.T., Incompressible Flow Computation of Forces and Moments on Bodies of Revolution at Incidence, AIAA 93-0787, 31st Aerospace Sciences Meeting and Exihibit, Reno, NV, January 11-14, 1993.
• Jonnalagadda R., Taylor L., and Whitfield D., Multiblock Multigrid Incompressible RANS Computation of Forces and Moments on Appended SUBOFF Configurations at Incidence, AIAA-97-0624, 35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January 6-9, 1997
• Yang C., and Löhner R., Prediction of Flows over an Axisymmetric Body with Appendages, 8th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Busan, Korea, September 22-25, 2003.
• Toxopeus S., Atsavapranee P., Wolf E., Daum S., Pattenden R., Widjaja R., Zhang J.T., and Gerber A., Collobrative CFD Exercise For Submarine in a Steady Turn, Proceedings of the ASME 2012, 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Rio de Janeiro, Brazil July 1-6, 2012.
• Sezen S., Dogrul A., and Bal Ş., Investigation of Self-Propusion of DARPA SUBOFF by RANS Method, Ocean Engineering, 150, 258-271, 2018.
• Özden Y.A., and Çelik F., Numerical Investigation of the Effects of Underwater Aft Cone Angle and Length-to-Beam Ratio on Hull Efficiency, GMO Journal of Ship and Marine Technology, 208, 72-88, June 2017.
• Feng D., Wang X., Jiang F., and Zhang Z., Large Eddy Simulation of DARPA SUBOFF for Re = 2.65 × 107, Journal of Coastal Research, 73, 687-691, 2015.
• Posa, A., and Balaras, E., A numerical Investigation of the Wake of an Axisymmetric Body with Appendages. J. Fluid Mech. 792, 470–498, 2016.
• Jiménez J. M., Reynolds R. T., and Smits A. J., The Effects of Fins on the Intermediate Wake of a Submarine Model, Journal of Fluids Engineering, 132 (3): 031102 (7 pages), 2010.
• ANSYS Fluent User’s Guide, ANSYS, Inc., Release 2020 R1, January 2020.
• ANSYS Fluent Theory Guide, ANSYS, Inc., Release 2020 R1, January 2020.
• Spalart P., and Allmaras S., A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows, Technical Report, AIAA-92-0439, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1992.
• Launder B. E., and Spalding D. B., The Numerical Computation of Turbulent Flow, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3, 269–289, 1974.
• Celik I. B., Ghia U., Roache, P. J., Freitas C.J., Coleman H. W., and Raad P.E., Procedure for Estimation and Reporting of Uncertainty Due to Discretization in CFD Application, Journal of Fluids Engineering, 130 (7), 078001, 2008.