Yıl 2020, Cilt 28 , Sayı 217, Sayfalar 57 - 71 2020-06-30

Numerical Validation of Ship Scale Resistance and Self-Propulsion Performances with Sea Trials
Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması

Naz YILMAZ [1]


For many years it has been best practice to validate results of numerical ship performance simulations against the results of towing tank experiments, both conducted at model-scale. While it is hardly possible to increase the scale of towing tanks considerably, with ever-increasing computational power, it became feasible to run numerical simulations in ship-scale. Thus eliminating uncertainties arising from poorly predicted flow phenomena with models that are scale-sensitive and also from scaling up results to ship scale using empirical methods.

Unfortunately, to validate numerical ship scale results, the marine community was lacking high-quality experimental data measured on a suitable ship operating at sea under calm/measurable conditions. To overcome this, the Lloyd’s Register Ship Performance Group (LR) provided such experimental data by conducting sea trial measurements on a general cargo vessel to assess and develop the capabilities of numerical tools to increase the confidence in ship-scale Computational Fluid Dynamics (CFD).

Accordingly, this study presents the numerical validation of the LR ship-scale experimental data for hull resistance, propeller open water characteristics, self-propulsion predictions and propeller cavitation cases, all simulated in ship-scale conditions. The computations were performed blind, without knowing the experimental results, using a commercial Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) solver with an implemented Volume of Fluid (VoF) model for the free surface prediction and the Schnerr-Sauer cavitation model for the prediction of the propeller cavitation. For the selfpropulsion simulations, a sliding mesh approach was used for describing the rotational motion of the propeller. In order to establish the self-propulsion point, the ship speed was varied at a constant propeller rotation rate which was given as input by LR. The numerically predicted cavitation was compared to video recordings of the sea trial propeller cavitation patterns. The simulated cases compared very well to the experimental data for resistance, propeller open water, power and cavitation prediction.

Yıllardır gemi sevk performansının sayısal doğrulaması, genellikle model ölçeğindeki gemi deney sonuçları ile karşılaştırılarak yapılmaktadır. Gemi model deney havuzlarında gerçekleştirilen bu deneylerde gemi ölçeğini değiştirmek oldukça zor ve zahmetli iken, gelişen teknoloji ve artan hesaplama gücüyle nümerik analiz ve modellemeleri tam gemi ölçeğinde gerçekleştirmek daha makul hale gelmiştir. Bu durum aynı zamanda, ölçeklendirme sebebiyle ortaya çıkan ve akış dinamiklerinin tahminindeki belirsizlikleri ve model ölçeğinden gemi ölçeğine geçişteki ampirik hesaplamalardaki belirsizlikleri de ortadan kaldırmaktadır. Ne yazık ki, gemi ölçeğindeki sayısal sonuçları doğrulamak amacıyla, uygun deniz koşullarında ve yüksek kalitede verilerin ölçülebilmesi için gerçekleştirilen gemi seyir testleri sonuçlarına ulaşmak konusunda bazı zorluklar yaşanmaktadır. Bunun üstesinden gelmek için Lloyd Register (LR) bünyesindeki Gemi Performansı Grubu, bir kargo gemisi ile gerçekleştirilen gemi seyir testlerinin deneysel sonuçlarını, gemi ölçeğinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemlerinin güvenilirliğini arttırmak ve nümerik modelleme araçlarının kabiliyetlerinin değerlendirilmesi amacıyla bir çalıştay vasıtasıyla paylaşmıştır. Bu çalışmada, LR çalıştayında sunulan tam gemi ölçeğindeki gemi direnci, açık su pervane performansı, gemi sevki, pervane performansı ve pervane kavitasyonu konularındaki sayısal doğrulama çalışmaları sunulmaktadır. Sayısal hesaplamalar, çalıştayın başında sonuçlar bilinmeksizin (kör bir şekilde) gerçekleştirilmiş olup, simülasyonlar esnasında ticari bir Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) türbülans ve Volume of Fluid (VoF) modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Pervane kavitasyonunun hesaplanması için ise Schnerr-Sauer kavitasyon modeli kullanılmıştır. Gemi sevki analizlerinde pervane dönüşünün tanımlanabilmesi için kayan çözüm ağı (sliding mesh) yaklaşımı kullanılmıştır. Geminin kendi kendini sevk noktası, sabit pervane dönüş hızı (çalıştay tarafından sağlanan veriler arasındadır) ile gemi hızı değiştirilerek tespit edilmiştir. Nümerik olarak tahmin edilen pervane kavitasyon görselleri, gemi seyir deneyleri esnasında kaydedilen gerçek fotoğraflar ile karşılaştırılmıştır. HAD yöntemi kullanılarak analiz edilen tüm vakalar, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış olup, gemi direnci, açık su pervane performansı, güç ve kavitasyon tahminleri açısından oldukça iyi sonuçlar elde edilmiştir.
  • Bhushan, S., Xing, T., Carrica, P., Stern, F., (2009). Model- and Full-Scale URANS Simulations of Athena Resistance, Powering, Seakeeping, and 5415 Maneuvering. J. Sh. Res. 53, 179–198.
  • Carrica, P.M., Castro, A.M., Stern, F., (2010). Self-propulsion computations using a speed controller and a discretised propeller with dynamic overset grids 316–330. https://doi.org/10.1007/s00773-010-0098-6
  • Castro, A.M., Carrica, P.M., Stern, F., (2011). Full scale self-propulsion computations using discretised propeller for the KRISO container ship KCS. Comput. Fluids 51, 35–47. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.07.005
  • Gaggero, S., Villa, D., Viviani, M., (2015). The Kriso container ship (KCS) test case: An open source overview, in: Computational Methods in Marine Engineering VI, MARINE 2015. pp. 735–749. ITTC, (2017). 1978 ITTC Performance Prediction Method 7.5 – 02 0.
  • Jasak, H., Vukcevic, V., Gatin, I., Lalovic, I., (2019). CFD validation and grid sensitivity studies of full scale ship self propulsion. Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng. 11, 33–43. https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2017.12.004
  • Krasilnikov, V.I., (2013). Self-Propulsion RANS Computations with a Single-Screw Container Ship, in: 3rd International Symposium on Marine Propulsors. pp. 430–438.
  • Larsson, L., Stern, F., Visonneau, M., (2014). An assessment of the Gothenburg 2010 Workshop.
  • Larsson, L., Stern, F., Visonneau, M., Hino, T., Hirata, N., Kim, J., (2018). Tokyo 2015: A workshop on CFD in ship hydrodynamics, in: Tokyo 2015: A Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics. Tokyo.
  • Ponkratov, D., Zegos, C., (2015). Validation of Ship Scale CFD Self-Propulsion Simulation by the Direct Comparison with Sea Trials Results, in: 4th International Symposium on Marine Propulsors.
  • Schnerr, G. H., Sauer, J., (2001). Physical and Numerical Modeling of Unsteady Cavitation Dynamics, ICMF2001, 4th International Conference on Multiphase Flow, New Orleans, USA, May 27-June 1, 2001.
  • Seo, J.H., Seol, D.M., Lee, J.H., Rhee, S.H., (2010). Flexible CFD meshing strategy for prediction of ship resistance and propulsion performance. Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng. 2, 139–145. https://doi.org/10.3744/JNAOE.2010.2.3.139
  • STAR-CCM+ User Guide, (2018).
  • Starke, A.R., Drakopoulos, K., Toxopeus, S.L., Turnock, S.R., (2017). RANS-based full-scale power predictions for a general cargo vessel, and comparison with sea-trial results, in: 7th International Conference on Computational Methods in Marine Engineering, MARINE 2017. pp. 353–364.
  • Stern, F., Wilson, R.V., Coleman, H. W., Paterson, E.R, (2001). Verification and Validation of CFD Simulations - Part1: Methodology and Procedures. Journal of Fluids Engineering, Vol. 123.
  • Visonneau, M., Deng, G.B., Guilmineau, E., Queutey, P., Wackers, J., (2016). Local and Global Assessment of the Flow around the Japan Bulk Carrier with and without Energy Saving Devices at Model and Full Scale, in: 31st Symposium on Naval Hydrodynamics Monterey, California, 11-16 September 2016.
  • Yilmaz, N., Atlar, M., Khorasanchi, M., (2019). An Improved Mesh Adaption and Refinement Approach to Cavitation Simulation (MARCS) of Propellers, Journal of Ocean Engineering, January 2019.
Birincil Dil tr
Konular Mühendislik
Bölüm Sayı
Yazarlar

Yazar: Naz YILMAZ (Sorumlu Yazar)
Kurum: BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Teşekkür Bu çalışma kapsamında sözü edilen LR çalıştayının düzenlenmesinde çok etkin bir rol oynayan ve aynı zamanda tüm çalışmaların gönderilmesi, paylaşılması ve derlenmesi konusunda bizlere çok yardımcı olan Dr. Dmitriy Ponkratov’a, özellikle gemi direnci ve sevk analizlerinde oldukça emeği olan meslektaşlarım Sn. Emin Öztürk ve Sn. Matthias Maasch’a, çalıştaya katılımımızı maddi açıdan destekleyen Prof. Dr. Osman Turan’a ve değerli doktora danışmanım Prof. Dr. Mehmet Atlar’a teşekkürü bir borç bilirim. Tüm bunların yanı sıra bu çalışma kapsamında verileri paylaşılmış HAD analizlerinin gerçekleştirilmesi için İskoçya'nın Batısı için Yüksek Performanslı Hesaplama (ARCHIEWeSt) bilgisayarı EPSRC hibe no. EP / K000586 / 1 kullanılmıştır.
Tarihler

Yayımlanma Tarihi : 30 Haziran 2020

Bibtex @araştırma makalesi { gdt761488, journal = {Gemi ve Deniz Teknolojisi}, issn = {1300-1973}, eissn = {2651-530X}, address = {}, publisher = {TMMOB Gemi Mühendisleri Odası}, year = {2020}, volume = {28}, pages = {57 - 71}, doi = {}, title = {Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması}, key = {cite}, author = {Yılmaz, Naz} }
APA Yılmaz, N . (2020). Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması . Gemi ve Deniz Teknolojisi , 28 (217) , 57-71 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/tr/pub/gdt/issue/55677/761488
MLA Yılmaz, N . "Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması" . Gemi ve Deniz Teknolojisi 28 (2020 ): 57-71 <https://dergipark.org.tr/tr/pub/gdt/issue/55677/761488>
Chicago Yılmaz, N . "Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması". Gemi ve Deniz Teknolojisi 28 (2020 ): 57-71
RIS TY - JOUR T1 - Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması AU - Naz Yılmaz Y1 - 2020 PY - 2020 N1 - DO - T2 - Gemi ve Deniz Teknolojisi JF - Journal JO - JOR SP - 57 EP - 71 VL - 28 IS - 217 SN - 1300-1973-2651-530X M3 - UR - Y2 - 2020 ER -
EndNote %0 Gemi ve Deniz Teknolojisi Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması %A Naz Yılmaz %T Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması %D 2020 %J Gemi ve Deniz Teknolojisi %P 1300-1973-2651-530X %V 28 %N 217 %R %U
ISNAD Yılmaz, Naz . "Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması". Gemi ve Deniz Teknolojisi 28 / 217 (Haziran 2020): 57-71 .
AMA Yılmaz N . Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması. Gemi ve Deniz Teknolojisi. 2020; 28(217): 57-71.
Vancouver Yılmaz N . Gemi Direnci ve Sevk Performansının Gemi Ölçeğinde Seyir Testleri ile Sayısal Doğrulaması. Gemi ve Deniz Teknolojisi. 2020; 28(217): 57-71.