Gemi egzoz gazı soğutma sistemlerinde idaktör-difüzör tasarım parametrelerinin termo-akışkan karakteristiğine etkisinin sayısal incelenmesi

Öz

Arka Plan—Deniz yüzey platformları, tespit edilebilirliğin hayatta kalmayı belirlediği tehdit ortamlarında faaliyet gösterir. Bir savaş gemisinin imza bileşenleri arasında kızılötesi (IR) iz özellikle kritiktir; zira ısı güdümlü mühimmatlar ve IR arama-takip sistemleri hedefleri yalnızca termal emisyonlara dayanarak tespit edip takip edebilmektedir. Gemilerdeki baskın IR kaynak, tahrik ve güç üretim makinelerinden tahliye edilen yüksek sıcaklıklı egzoz gazları ile bu gazların ısıttığı baca yapılarıdır. İdaktör-difüzör düzenekleri bu izi, egzoz jetinin kendi momentumu ile ortam havasını sisteme çekerek pasif biçimde bastırmaktadır. Ancak bu düzeneklerin performansı geometriye güçlü biçimde bağlıdır ve literatürde çalışmalar ağırlıklı olarak tekil geometrik parametrelerin izole optimizasyonuna odaklanmış; gerçek bir gemi uygulamasının mühendislik kısıtları altında bütüncül boyutlandırma konusu sınırlı kalmıştır.

Amaç—Bu çalışmada; idaktör kesit geometrisi, idaktör ile karışım odası arasındaki ara mesafe ve difüzör halka sayısı olmak üzere üç tasarım parametresinin, 600 kW gücünde jenerik bir gemi ana tahrik dizel motoru için tasarlanan idaktör-difüzör sisteminin termo-akışkan performansına etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Tasarım, motor üreticisinin izin verdiği maksimum egzoz geri basıncı ile baca mahalinin izin verdiği hacim kısıtları altında gerçekleştirilmiştir.

Yöntem—Analizler ANSYS Fluent yazılımı ile yürütülmüştür. Kütle, momentum ve enerjinin korunumu denklemleri sonlu hacimler yöntemi ile kontrol hacimleri üzerinde ayrıklaştırılarak çözülmüş; türbülans kapanışı standart k-ε modeli ile sağlanmıştır. Kurulan sayısal model, Chen tarafından yayımlanan deneysel ölçümlerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır; bu aşamada standart k-ε ve k-ω modelleri karşılaştırılmış ve k-ε modeli tercih edilmiştir. Beş farklı ağ yoğunluğunda ağ bağımsızlık çalışması ve iterasyon bağımsızlığı denetimi yapılmıştır. Ardından toplam 14 geometrik konfigürasyon (2 idaktör geometrisi, 9 ara mesafe, 3 halka sayısı) analiz edilmiştir.

Bulgular—Yonca tip idaktör, egzoz momentumunu merkez hattan difüzör cidarlarına doğru dağıtarak sisteme indüklenen hava debisini 1.96 kg/s’den 2.12 kg/s’ye yükseltmekte ve difüzör çıkışı kütlesel ağırlıklı ortalama sıcaklığını 519.4 K’den 507.7 K’e düşürmektedir. Ara mesafe oranının 0.23’ten 1’e çıkarılması çıkış sıcaklığını 32.8 K azaltmakta olup bu parametre üç değişken içinde en etkilisidir; ancak mahal yüksekliği kısıtı kullanılabilir değeri 0.70 oranı ile sınırlamaktadır. Halka sayısının dörtten fazlaya çıkarılması ihmal edilebilir bir kazanç (0.06 K) sağlamaktadır. Optimize edilen sistem, egzoz gazı sıcaklığını 690.15 K’den 494.9 K’e düşürürken idaktör geri basıncını 2000 Pa sınırının altında tutmaktadır.

Sonuç—Gerçek bir yerleşimin kısıt kümesi altında ara mesafe baskın tasarım parametresidir; idaktör kesit geometrisi ikincil fakat ihmal edilemez bir kazanç sağlamakta, halka sayısının etkisi ise dört halkada doygunluğa ulaşmaktadır. Bu çalışmada doğrulanan HAD metodolojisi ve ortaya konan kısıt-tabanlı tasarım akışı, deniz platformları için pasif IR iz bastırma sistemlerinin boyutlandırılmasında uygulanabilir bir temel sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Hava indüklenmesi
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)
• İdaktör-difüzör sistemleri
• Kızılötesi iz yönetimi
• Pasif ısı transferi
• Gemi egzoz soğutma

Numerical investigation of the effect of eductor-diffuser design parameters on thermo-fluid characteristics in ship exhaust gas cooling systems

Öz

Context—Naval surface platforms operate in threat environments where detectability determines survivability. The infrared (IR) signature is particularly critical, since heat-seeking munitions and infrared search-and-track (IRST) systems acquire targets from thermal emissions alone. The dominant IR source aboard a warship is the high-temperature exhaust gas discharged from the propulsion engines, together with the funnel structures heated by that gas. Eductor-diffuser devices suppress this signature passively, entraining ambient air with the momentum of the exhaust jet itself. Their performance depends strongly on geometry, yet literature has largely optimised individual geometric parameters in isolation rather than sizing a complete device under the engineering constraints of a real installation.

Objective—This study numerically investigates how three design parameters—eductor cross-sectional geometry, the stand-off distance, and the number of diffuser funnels—affect the thermo-fluid performance of a device designed for a generic 600 kW marine main-propulsion diesel engine, subject to the maximum exhaust back pressure permitted by the engine manufacturer and to the space envelope of the funnel compartment.

Method—Computational Fluid Dynamics analyses were performed in ANSYS Fluent. The conservation equations of mass, momentum and energy were discretized over control volumes using the finite volume method, with turbulence closed by the standard k-ε model. The model was validated against the experimental measurements published by Chen; the standard k-ε and k-ω models were compared and k-ε was retained. Mesh and iteration independence were established, and 14 geometric configurations (2 eductor geometries, 9 stand-off distances, 3 funnel counts) were analyzed.

Results—The clover-type eductor distributes exhaust momentum from the centreline towards the diffuser walls, raising the entrained air mass flow rate from 1.96 to 2.12 kg/s and lowering the mass-weighted mean outlet temperature from 519.4 K to 507.7 K. Increasing the stand-off ratio from 0.23 to 1.00 reduces the outlet temperature by 32.8 K, making it the most influential parameter; the compartment height constraint, however, limits the usable ratio to 0.70. Increasing the funnel count beyond four yields a negligible gain (0.06 K). The optimized device reduces the exhaust gas temperature from 690.15 K to 494.9 K while keeping the eductor back pressure below the 2000 Pa limit.

Conclusion—Within the constraint set of a real installation, the stand-off distance is the dominant design parameter, the eductor cross-section offers a secondary but non-negligible gain, and the funnel count saturates at four. The validated CFD methodology and the constraint-driven design workflow provide a practical basis for sizing passive IR suppression devices for naval vessels.

Anahtar Kelimeler

• Air entrainment
• Computational fluid dynamics (CFD)
• Eductor-diffuser systems
• Infrared signature management
• Passive heat transfer
• Ship exhaust cooling

Kaynakça

1. Q. Chen, “Performance of air-air ejectors with multi-ring entraining diffusers”, Ph.D. dissertation, Queen's University, Kingston, Ontario, Canada, 2008.
2. U. Kıray, “Gemilerde baca formunun gaz akışına etkileri”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2014.
3. M. Sivaslıgil, “Kızılötesi iz ölçümü ve analizi”, TÜBİTAK BİLGEM Teknoloji Dergisi, 9, 82–85, 2020.
4. S. L. Y. Kok, “Naval survivability and susceptibility reduction study—Surface ship”, M.S. thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, California, USA, 2012.
5. D. Bayram, H. Heperkan, “Numerical modeling of the thermal signature of ship stack plumes”, Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences, 30(3), 292–302, 2012.
6. S. D. P. M. Llorente, V. D. Charris, J. M. G. Torres, “Infrared signature analysis of surface ships”, Ship Science & Technology, 8(17), 57–68, 2015.
7. Y. Zou, Z. Liu, X. Qiao, Y. Jiang, H. Shi, Y. Jiang, “Fluid dynamics and infrared stealth of marine IRS devices: A review”, International Journal of Mechanical System Dynamics, 5(2), 179–200, 2025. https://doi.org/10.1002/msd2.70019.
8. Davis Engineering, “Naval IRSS”, https://www.davis-eng.com/naval_irss.html (10.07.2026).

9. J. A. Guarnieri, “Thermal signature reduction through liquid nitrogen and water injection”, M.S. thesis, Texas A&M University, College Station, Texas, USA, 2004.
10. J. Thompson, D. A. Vaitekunas, A. M. Birk, “IR signature suppression of modern naval ships”, ASNE 21st Century Combatant Technology Symposium, Washington, DC, ABD, 27–30 January 1998.
11. J. Thompson, D. A. Vaitekunas, B. Brooking, “Lowering warship signatures: Electromagnetic and infrared”, SMi Conference: Signature Management – The Pursuit of Stealth, London, UK, 21–22 February 2000.
12. G. Munro, D. VanDam, A. M. Birk, “The design of infrared signature suppression hardware for the refit of Canada’s DDH 280 destroyers”, 42nd Annual Technical Conference, Canadian Maritime Industries Association (CMIA), Ottawa, Canada, 27 February 1990.
13. A. M. Birk, D. VanDam, “Infra-Red Signature Suppression for Marine Gas Turbines: Comparison of Sea Trial and Model Test Results for the DRES Ball IRSS System”, Proceedings of the ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Cologne, Germany, 01-04 June 1992. https://doi.org/10.1115/92-GT-310.
14. A. M. Birk, D. VanDam, “Infrared Signature Suppression for Marine Gas Turbines: Comparison of Sea Trial and Model Test Results for the DRES Ball IRSS System”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 116(1), 75–81, 1994. https://doi.org/10.1115/1.2906812.
15. C. R. Ellin, P. F. Pucci, “Model tests of multiple nozzle exhaust gas eductor systems for gas turbine powered ships”, M.S. thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, California, ABD, 1977.
16. M. V. S. N. Anavilla, S. V. Kambagowni, R. B. Vepakomma, “Design and validation of diesel engine infrared signature suppression devices for naval ships”, Journal of The Institution of Engineers (India): Series C, 100(5), 717–727, 2019. https://doi.org/10.1007/s40032-019-00525-x.
17. Y.-J. Cho, D.-E. Ko, “A study on the heat flow characteristics of IRSS”, Proceedings of the 4th International Conference on Advanced Materials, Mechanics and Structural Engineering (AMMSE), Tianjin, China, 22-24 September 2017. https://doi.org/10.1088/1757-899X/269/1/012091.
18. V. Chandrakar, J. R. Senapati, “Numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of a full-scale infrared suppression device with cylindrical funnels”, International Journal of Thermal Sciences, 153, 106355, 2020. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106355.
19. A. Mukherjee, V. Chandrakar, J. R. Senapati, “Flow and conjugate heat transfer with surface radiation characteristics of a real-scale infrared suppression device with conical funnels”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 123, 105208, 2021. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105208.
20. M. K. Dash, R. C. Mishra, A. K. Barik, R. K. Mallik, “Numerical investigation of buoyancy-induced thermo-fluid characteristics of different types of infrared suppression (IRS) devices”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 138, 106388, 2022. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106388.
21. A. K. Barik, S. K. Dash, A. Guha, “Experimental and numerical investigation of air entrainment into an infrared suppression device”, Applied Thermal Engineering, 75, 33–44, 2015. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.05.042.
22. A. K. Barik, S. Panigrahi, A. Mukherjee, B. Nayak, S. Rout, “CFD analysis of an infrared suppression device for ambient air entrainment”, 3rd KIIT International Symposium on Advances in Automotive Technology, Bhubaneswar, India, 22–24 December 2014.
23. A. K. Barik, S. K. Dash, A. Guha, “Entrainment of air into an infrared suppression (IRS) device using circular and non-circular multiple nozzles”, Computers & Fluids, 114, 26–38, 2015. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.02.016.
24. Y. Zou, H. Shi, B. Kong, J. Pan, Y. Jiang, “Numerical investigation of air entrainment and wall temperature of a real-scale infrared suppression device with slots of gradient height”, International Journal of Thermal Sciences, 190, 108296, 2023. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108296.
25. B. Gu, S. W. Baek, H. Jegal, S. M. Choi, W. C. Kim, “Infrared signature characteristic of a microturbine engine exhaust plume”, Infrared Physics & Technology, 86, 11–22, 2017. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2017.08.014.
26. J. Yuan, K. Yang, H. Shi, Y. Zou, B. Kong, Y. Jiang, “Optimal shape design and performance investigation of the diffuser for infrared suppression (IRS) device applying MO-SHERPA”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 147, 106960, 2023. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106960.
27. Y. Zou, H. Shi, Y. Jiang, B. Kong, “Numerical study of an infrared suppression (IRS) device with cooling hole configuration on the mixing tube”, Applied Thermal Engineering, 236, 121866, 2024. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121866.
28. C. Qiu, Y. Zou, B. Kong, J. Yuan, K. Yang, H. Shi, “Multi-objective optimization of IRS device with scalloped lobed nozzle on flow features and thermal mixing performance”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 155, 107561, 2024. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107561.
29. R. D. Blevins, Applied Fluid Dynamics Handbook, New York, NY, USA, Van Nostrand Reinhold Company, 1984.
30. Y. A. Çengel, J. M. Cimbala, Akışkanlar Mekaniği, İzmir, Türkiye, Güven Bilimsel Yayınları, 2008.
31. F. M. White, Fluid Mechanics, 8th Edition, New York, NY, USA, McGraw-Hill Education, 2016.
32. T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition, Hoboken, NJ, USA, John Wiley & Sons, 2011.
33. The Engineering ToolBox, “Air — Absolute and Kinematic Viscosity”, https://www.engineeringtoolbox.com/air-absolute-kinematic-viscosity-d_601.html (10.07.2026).
34. ANSYS Inc., “ANSYS Fluent Theory Guide”, https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/main_pre.htm (10.07.2026).
35. D. A. Vaitekunas, Y. Kim, “IR signature management for the modern navy”, Proceedings of SPIE, Baltimore, Maryland, USA, 2013. https://doi.org/10.1117/12.2016499.
36. P. R. Kulkarni, S. N. Singh, V. Seshadri, “Parametric studies of exhaust smoke–superstructure interaction on a naval ship using CFD”, Computers & Fluids, 36(4), 794–816, 2007. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2006.07.001.
37. F. D. Lapierre, J. P. Marcel, M. Acheroy, “Design of an infrared ship signature simulation software for general emissivity profiles”, 2nd ITBMS Workshop, Brest, France, 2006.
38. F. D. Lapierre, R. Dumont, A. Borghgraef, J. P. Marcel, M. Acheroy, “OSMOSIS: An Open-source Software for Modeling of Ship Infrared Signatures”, 3rd International IR Target, Background Modelling & Simulation (ITBMS) Workshop, Toulouse, France 2007.