Research Article
PDF Mendeley EndNote BibTex Cite

Analysis of Hydrodynamic Drift and Lifting Forces of Unmanned Underwater Vehicles (UUV) Dependent with Depth and Speed by CFD

Year 2022, Volume 14, Issue 1, 72 - 83, 31.01.2022
https://doi.org/10.29137/umagd.948797

Abstract

Unmanned Underwater Vehicles (UUV) are frequently used today for ocean and submarine exploration. The hydrodynamic properties of UUV's moving close to the water surface are quite different from those moving at deeper depths. In this article, an UUV's has done at different depths (0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m and 2.5 m) and velocities (0.1 m/s, 0.5 m/s and 1 m/s) in horizontal and vertical directions, during the movements, the hydrodynamic drag forces,, the lift forces acting on the hull and the drag and lift coefficients depending on these were tried to be determined. The aim of the study is to observe the effects of depth and flow velocity on hydrodynamic parameters by using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis methods. The accuracy of the values obtained from numerical analyzes was tried to be proven by conducting experimental studies. In the simulations for analysis, a three-dimensional CAD model of the four-degrees-of-freedom UUV, which was developed with the infrastructure support of the Kocaeli University Scientific Research Projects (KOU-SRP) unit, numbered 2018-108, was used. Flow Simulation commercial software is a CFD software interoperable with SolidWorks and utilizes the solution of Navier Stokes equations for laminar and turbulent flow analysis. In this study, the Flow Simulation k-ε turbulence model was used for the transition from laminar flow to turbulent flow.

References

  • Du X., Wang H., Hao C., Li X., Analysis of hydrodynamic characteristics of unmanned underwater vehicle moving close to the sea bottom, Defence Technology, c. 10, sy 1, ss. 76-81, Mar. 2014, doi: 10.1016/j.dt.2014.01.007.
  • Javanmard E. A Computational Fluid Dynamics Investigation on the Drag Coefficient Measurement of an AUV in a Towing Tank, JAFM, c. 12, sy 3, ss. 947-959, May. 2019, doi: 10.29252/jafm.12.03.29525.
  • Karasu İ., Silindir Etrafındaki Kararsız Akışın Farklı Türbülans Modelleri ile Sayısal Olarak İncelenmesi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 6, sy 1, Haz. 2019, doi: 10.35193/bseufbd.560925
  • Kaya F., Karagöz İ., Investigation into the Suitability of Turbulence Models in Swirling Flows, Uludağ Üniversitesi Mühendislik- Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 12, Sayı 1 s. 12, 2007.
  • Malavasi S. Guadagnini A. Interactions between a rectangular cylinder and a free-surface flow, Journal of Fluids and Structures, 23(8), 1137-1148, 2007.
  • Mansoorzadeh Sh., Javanmard E., An investigation of free surface effects on drag and lift coefficients of an autonomous underwater vehicle (AUV) using computational and experimental fluid dynamics methods, Journal of Fluids and Structures, c. 51, ss. 161-171, Kas. 2014, doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2014.09.001.
  • Mitra A., Panda J. P., Warrior H. V., Experimental and numerical investigation of the hydrodynamic characteristics of Autonomous Underwater Vehicles over sea-beds with complex topography, arXiv:1904.13305 [physics], Nis. 2019, Erişim: Şub. 14, 2021. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: http://arxiv.org/abs/1904.13305.
  • Novais M., The Effect of Depth on Drag During the Streamlined Glide: A Three-Dimensional CFD Analysis, Journal of Human Kinetics, c. 33, sy 1, ss. 55-62, Haz. 2012, doi: 10.2478/v10078-012-0044-2.
  • Öztop H. F., Dış Akışlar Kaldırma ve Direnç, Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Ders notu, 2014, Erişim: http://hakanfoztop.com/wp-content/uploads/2019/02/11-D%C4%B1%C5%9F-ak%C4%B1%C5%9Flar-diren%C3%A7-ve-kald%C4%B1rma.pdf
  • Salari M. Rava A. Numerical investigation of hydrodynamic flow over an AUV moving in the water-surface vicinity considering the laminar-turbulent transition, J. Marine. Sci. Appl., c. 16, sy 3, ss. 298-304, Eyl. 2017, doi: 10.1007/s11804-017-1422-x
  • Shao WY. Zhang YP. Zhu DZ. Zhang TQ. Drag force on a free surface-piercing yawed circular cylinder in steady flow, Journal of Fluids and Structures, 43, 145-163, 2013.
  • Vorus WS, Paulling JR., The Principles of Naval Architecture, 2010 Series.
  • Yakut M., Yılmaz S., İnce S., Otcu M., Aygün E., Derinlik ve Yön Kontrol Uygulamaları için Sualtı Aracı Tasarımı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part:C, Tasarım Ve Teknoloji GU J Sci Part:C 3(1):343-355, 2015
  • Yang R., Clement B., Mansour A., Li M., Wu N., Modeling of a Complex-Shaped Underwater Vehicle for Robust Control Scheme, J Intell Robot Syst, c. 80, sy 3-4, ss. 491-506, Ara. 2015, doi: 10.1007/s10846-015-0186-2.
  • Zhang H., Xu Y., Cai H., Using CFD software to calculate hydrodynamic coefficients, J. Marine. Sci. Appl., c. 9, sy 2, ss. 149-155, Haz. 2010, doi: 10.1007/s11804-010-9009-9.
  • Zhao M., Cheng L. Zhou T. Direct numerical simulation of three-dimensional flow past a yawed circular cylinder of infinite length. Journal of Fluids and Structures, 25(5), 831-847, 2009.

İnsansız Sualtı Araçlarında (İSA) Hidrodinamik Sürüklenme ve Kaldırma Kuvvetlerinin Derinlik ve Hıza Bağlı Değişiminin HAD İle Analizi

Year 2022, Volume 14, Issue 1, 72 - 83, 31.01.2022
https://doi.org/10.29137/umagd.948797

Abstract

Günümüzde İnsansız Sualtı Araçları (İSA), okyanus ve denizaltı keşifleri için sıklıkla kullanılmaktadır. Su yüzeyine yakın hareket eden İSA'ların hidrodinamiği, daha derinde hareket eden İSA’lara göre önemli farklılıklar gösterir. Bu makalede, bir İSA'nın farklı derinliklerde (0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m ve 2.5 m) yapmış olduğu surge (x ekseni yönünde doğrusal yer değiştirme) hareketi için araç gövdesine etki eden hidrodinamik sürüklenme kuvvetleri, kaldırma kuvvetleri ve bunlara bağlı olarak sürüklenme ve kaldırma katsayıları elde edilmiştir. Çalışmanın amacı, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analiz yöntemlerini kullanarak derinlik ve akış hızının hidrodinamik parametreler üzerindeki etkisini gözlemektir. Analiz amaçlı simulasyonlarda, 2018-108 nolu Kocaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (KOU-BAP) biriminden altyapı desteği alınarak geliştirilen, dört serbestlik dereceli İSA’nın SolidWorks yardımı ile bire bir ölçülerde tasarlanan 3 boyutlu CAD modeli kullanılmıştır. Flow Simulation ticari yazılımı, SolidWorks programıyla birlikte çalışabilen bir HAD yazılımıdır ve laminar ve türbülanslı akış analizleri için Navier Stokes denklemlerinin çözümünden yararlanır. Bu çalışmada, Flow Simulation k-ε türbülans modeli kullanılmıştır.

References

  • Du X., Wang H., Hao C., Li X., Analysis of hydrodynamic characteristics of unmanned underwater vehicle moving close to the sea bottom, Defence Technology, c. 10, sy 1, ss. 76-81, Mar. 2014, doi: 10.1016/j.dt.2014.01.007.
  • Javanmard E. A Computational Fluid Dynamics Investigation on the Drag Coefficient Measurement of an AUV in a Towing Tank, JAFM, c. 12, sy 3, ss. 947-959, May. 2019, doi: 10.29252/jafm.12.03.29525.
  • Karasu İ., Silindir Etrafındaki Kararsız Akışın Farklı Türbülans Modelleri ile Sayısal Olarak İncelenmesi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 6, sy 1, Haz. 2019, doi: 10.35193/bseufbd.560925
  • Kaya F., Karagöz İ., Investigation into the Suitability of Turbulence Models in Swirling Flows, Uludağ Üniversitesi Mühendislik- Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 12, Sayı 1 s. 12, 2007.
  • Malavasi S. Guadagnini A. Interactions between a rectangular cylinder and a free-surface flow, Journal of Fluids and Structures, 23(8), 1137-1148, 2007.
  • Mansoorzadeh Sh., Javanmard E., An investigation of free surface effects on drag and lift coefficients of an autonomous underwater vehicle (AUV) using computational and experimental fluid dynamics methods, Journal of Fluids and Structures, c. 51, ss. 161-171, Kas. 2014, doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2014.09.001.
  • Mitra A., Panda J. P., Warrior H. V., Experimental and numerical investigation of the hydrodynamic characteristics of Autonomous Underwater Vehicles over sea-beds with complex topography, arXiv:1904.13305 [physics], Nis. 2019, Erişim: Şub. 14, 2021. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: http://arxiv.org/abs/1904.13305.
  • Novais M., The Effect of Depth on Drag During the Streamlined Glide: A Three-Dimensional CFD Analysis, Journal of Human Kinetics, c. 33, sy 1, ss. 55-62, Haz. 2012, doi: 10.2478/v10078-012-0044-2.
  • Öztop H. F., Dış Akışlar Kaldırma ve Direnç, Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Ders notu, 2014, Erişim: http://hakanfoztop.com/wp-content/uploads/2019/02/11-D%C4%B1%C5%9F-ak%C4%B1%C5%9Flar-diren%C3%A7-ve-kald%C4%B1rma.pdf
  • Salari M. Rava A. Numerical investigation of hydrodynamic flow over an AUV moving in the water-surface vicinity considering the laminar-turbulent transition, J. Marine. Sci. Appl., c. 16, sy 3, ss. 298-304, Eyl. 2017, doi: 10.1007/s11804-017-1422-x
  • Shao WY. Zhang YP. Zhu DZ. Zhang TQ. Drag force on a free surface-piercing yawed circular cylinder in steady flow, Journal of Fluids and Structures, 43, 145-163, 2013.
  • Vorus WS, Paulling JR., The Principles of Naval Architecture, 2010 Series.
  • Yakut M., Yılmaz S., İnce S., Otcu M., Aygün E., Derinlik ve Yön Kontrol Uygulamaları için Sualtı Aracı Tasarımı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part:C, Tasarım Ve Teknoloji GU J Sci Part:C 3(1):343-355, 2015
  • Yang R., Clement B., Mansour A., Li M., Wu N., Modeling of a Complex-Shaped Underwater Vehicle for Robust Control Scheme, J Intell Robot Syst, c. 80, sy 3-4, ss. 491-506, Ara. 2015, doi: 10.1007/s10846-015-0186-2.
  • Zhang H., Xu Y., Cai H., Using CFD software to calculate hydrodynamic coefficients, J. Marine. Sci. Appl., c. 9, sy 2, ss. 149-155, Haz. 2010, doi: 10.1007/s11804-010-9009-9.
  • Zhao M., Cheng L. Zhou T. Direct numerical simulation of three-dimensional flow past a yawed circular cylinder of infinite length. Journal of Fluids and Structures, 25(5), 831-847, 2009.

Details

Primary Language Turkish
Subjects Engineering, Mechanical
Journal Section Articles
Authors

Gülten YILMAZ (Primary Author)
Kocaeli Üniversitesi Hereke Asım Kocabıyık MYO.
0000-0002-7555-6658
Türkiye


Serhat YILMAZ
KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ, MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ, ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ PR.
0000-0001-9765-7225
Türkiye

Publication Date January 31, 2022
Published in Issue Year 2022, Volume 14, Issue 1

Cite

APA Yılmaz, G. & Yılmaz, S. (2022). İnsansız Sualtı Araçlarında (İSA) Hidrodinamik Sürüklenme ve Kaldırma Kuvvetlerinin Derinlik ve Hıza Bağlı Değişiminin HAD İle Analizi . International Journal of Engineering Research and Development , 14 (1) , 72-83 . DOI: 10.29137/umagd.948797

All Rights Reserved. Kırıkkale University, Faculty of Engineering.