Search

Endüstri devrimiyle birlikte nüfus ve şehirleşme oranının arttığı, su havzalarının ve ormanlık alanların yerleşime açılarak tahrip edildiği ve asfalt, beton, çatı gibi geçirimsiz sert yüzeylerin oranının arttığı görülmektedir. Tüm bunlar hidrolojik çevrimi olumsuz etkileyerek kentsel bölgelerde yüzeysel akış miktarının ve hızının artmasına, yağmur suyunun yeterince sızamamasına, su kalitesinin azalmasına, sel ve taşkın olaylarının artmasına ve yeraltısu kaynaklarının beslenememesinden dolayı yeraltısu seviyesinin azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca artan nüfusla birlikte kullanılabilir temiz suya olan ihtiyaç artmakta, aşırı ve bilinçsiz su kullanımı ile kişi başına düşen su miktarı da azalmaktadır. Bu sebeplerden dolayı su kaynaklarımızın hem doğru planlanması hem de pratik, ekonomik ve çevre dostu uygulamalarla devamlılığının sağlanması gerekmektedir. Su kaynaklarımızı korumak ve onlardan daha fazla yararlanmak için yağmur suyu yönetim sistemleri uygulamalarında sürdürülebilir sistemlere ağırlık verilmelidir. Sürdürülebilirlik; doğal kaynaklarımızı tam olarak tüketmeden gelecek nesillere aktarabilmek için doğal kaynakların devamlılığına katkı sağlamak anlamına gelirken aynı zamanda yenilenebilir enerji kaynaklarının da kullanımını gerektirmektedir.Sürdürülebilir sistemler ise özellikle geçirimsiz yüzeylerin fazla olduğu yoğun kentsel alanlarda yağmur suyundan daha fazla yararlanmak için geçirimliliğin arttırılması amacına yönelik olarak inşa edilirler. Yağmur hendekleri şehirlerin ve tarım alanlarının sürdürülebilirliğine yardım eder. Yağmur hendekleri tarımda sulama suyuna olan ihtiyacı azaltır, yeraltısu kaynaklarını besleyerek yeraltısu seviyesini arttırır, taşkın pik debisini azaltarak taşkın zamanını geciktirir böylece taşkın olaylarının sıklığını ve şiddetini azaltır ve yüzeysel akış hızını yavaşlatarak sel olaylarının etkisini hafifletir. Bu hendekler ayrıca bioçeşitliliğin artmasına ve korunmasına katkı sağlar, yüzeysel akış hızının yavaşlamasıyla bulunduğu bölge toprakları için erozyon oluşma riskini azaltır, hendeğe ulaşan yağmur suyunu arıtarak su kalitesini arttırır, üzerindeki bitki örtüsü sayesinde kentsel ısı ada etkisinin azalmasına yardımcı olur ve özellikle kentsel bölgelerde hava kalitesinin artmasına katkıda bulunur. Üstelik yağmur hendekleri geleneksel yağmur suyu yönetim sistemlerine göre daha ekonomik olan uygulamalardır. Bu faydalarından dolayı yağmur hendeklerinin özellikle ülkemizdeki kullanımlarının hem kentsel hem de kırsal alanlarda yaygınlaştırılması gerekmektedir.Bu tez çalışmasında öncelikle detaylı bir literatür araştırması yapılarak yağmur hendeklerinin tipleri, avantaj ve dezavantajları, kullanım yerleri, tasarım kriterleri, performansları, dünyadaki ve ülkemizdeki uygulamaları, kapasite ve maliyet hesapları özetlenmiştir. Ayrıca kullanımını daha pratik hale getirebilmek için İstanbul İli Kadıköy İlçesi Göztepe Mahallesine ait bir bölgede örnek bir yağmur hendeği kapasite hesabı; hem uluslararası literatüre hem de 23 Haziran 2017 tarihinde yayımlanan Yağmur Suyu Toplama, Depolama ve Deşarj Sistemleri Yönetmeliği'ne göre yapılmıştır. Elde edilen sonuçların karşılaştırmasına dayanarak ilgili yönetmeliğe yapılabilecek eklenti önerilerimiz özetlenmiştir. Ayrıca, yağmur hendeklerinin ve geleneksel sistemlerin sürdürülebilirliğe olan katkılarını değerlendirmek için sürdürülebilirlik değerlendirmesi yapılmış ve bu sistemlerin ekonomik, sosyal ve çevresel sürdürülebilirliğe olan katkıları altyapı sürdürülebilirlik indeksi ve radar grafikleri yardımıyla kıyaslanmıştır. Bu tez çalışmasında yağmur hendeklerinin taşıma ve arıtma kapasitelerinin kesiştiği noktadaki değerler; optimum şev eğimi ve optimum hidrolik yarıçap olarak tanımlanmış ve hesap yöntemleri detaylı şekilde anlatılmıştır. Bu yeni kriterler literatüre katkı sağlarken yağmur hendeklerinin tasarımını da daha pratik hale getirmiştir. Bu sebeple özellikle ülkemizde yağmur hendeklerinin yaygın şekilde kullanımına katkı sağlaması beklenmektedir. Sürdürülebilirlik açısından yağmur hendeklerinin yaygın olarak kullanılması iklim değişikliği, taşkın ve su kalitesinin bozulması gibi çevresel sorunları değişken oranlarda desteklemektedir. Along with the industrial revolution, the population and urbanization ratio has increased, water basins and forest areas have been replaced by settlement, and the impervious hard surfaces such as asphalt, concrete and roof are increased. They affect on hydrological cycle, as a result of them especially in urban areas, decrease water quality, increase flood events frequency and its peak and decrease groundwater level due to inadequate recharge of the groundwater resources. In addition to this, the demand for fresh water increase by excessive and improperly water usage and the amount of water per capita are decrease due to growing population. Therefore it is necessary to ensure both the efficient planning of our water resources and the continuity with economic environmental friendly practical applications. Sustainable systems should be emphasized in their implementation of rainwater management systems in order to sustain and protect our water resources for a better use. Sustainability means to ensure the continuation of present natural resources to future generations without consuming it fully. So certainly, sustainability requires a usage of renewable energy resources.Sustainable systems, especially in dense urban areas where there are many impervious surfaces, built with aim increasing permeability in order to gain more from the rainwater. Swales help sustainability in cities and in agricultural areas. Swales reduce the need for irrigation water in the agriculture sector, increase groundwater level by recharging groundwater resources, reduce flood peak discharge and reduce frequency by delay the time of peak discharge and severity of flood events. In addition, the swales increase and protect biodiversity, reduce the risk of water erosion in a region by reducing a velocity of runoff, increase water quality by purifying rainwater which is reaching to the swale, helps to reduce the effect of urban heat island with vegetation and contributes to increasing air quality especially in urban areas. In fact, swales are more economical than traditional rainwater management systems. Due to all these benefits, it needs to be spread in both urban and rural areas for ensuring the sustainability.In this thesis, firstly a very detailed literature search about swales has been done which summarized the types, advantages and disadvantages, places where they may use, design criteria, their performances, capacity and cost calculations and their applications in the world and our country. In addition, to ensure the applicability of these systems in our country a practical example of swale capacity calculation in the district of Göztepe, province of Istanbul, Kadıköy was made according to both the international literature and The Regulation of Rainwater Collection, Storage and Discharge Systems, published on 23 June 2017. Based on the comparison of these results, its have been summarized our suggestions for the plug in that can be made to the relevant regulation. In addition, sustainability assessment was done to assess the sustainability contributions of swales and traditional systems to economic, social and environmental issues and the contributions of these systems to sustainability was compared by radar charts and infrastructure sustainability index. In this thesis, the intersection of conveyance and treatment capacities of swales are described as optimum side slope and optimum hydraulic radius and the calculation methods are explained in detail. These new criteria are introduced and contributed to the literature and are made swale design more practical. Due to these advantages of swales, widely usage of swales is expected especially in our country because of to support sustainability and to help to solve of environmental problems such as climate change, flood and water quality deterioration. 133

Bu tez çalışmasında, bir lazer sisteminde kullanılan aynalar ve prizmalar için farklıoptomekanik tasarım ve yapıştırıcı konfigürasyonları incelenmiştir. Askeriortamlarda kullanılmak üzere tasarlanan bir lazer sisteminde, aynaların veprizmaların kararlılığını ve dayanımını sağlamak zordur.Prizmaların tutucu ve yapıştırıcı konfigürasyonlarının yüksek ivme değerlerine olandayanımının belirlenmesinde, Yoder tarafından türetilen matematiksel bağıntılarkullanılmıştır. Bu matematiksel bağıntıların kullanılması ile, 40g ivme seviyesi için,farklı prizmaların tutucu ve yapıştırıcı konfigürasyonlarının güvenlik faktörlerihesaplanmıştır.En kararlı ayna tutucusu ve yapıştırıcı konfigürasyonunun belirlenmesi için çeşitlideneyler yapılmıştır. Deneyler için, 5 farklı optomekanik tutucu tasarlanmıştır.Tasarlanan optomekanik tutuculara, 5 farklı yapıştırıcı ile 25 adet aynayapıştırılmıştır. Bu deneyler; ısıl şok, mekanik titreşim ve mekanik şok gibi zorluaskeri çevre koşullarını simüle etmek için yapılmıştır.Yapılan bu deneylerde; aynaların, yapıştırıcının kuruması, ısıl şok, mekanik titreşim,mekanik şok gibi etkilerden kaynaklanan açısal hareketleri izlenmiştir. Isıl şok, -40ºCve 70ºC sıcaklık aralığında 22ºC/min değişiklik olacak şekilde uygulanmıştır. Ayrıca,titreşim seviyesi 14 grms olan bir titreşim profili ile 40g 6 ms'lik bir şok profili dedeneylerde uygulanmıştır.Kısacası, bu çalışma, askeri ortamda kullanılan bir laser sistemindeki en kararlı lens,prizma montajı ve yapıştırıcı konfigürasyonunun belirlenmesi için yapılmıştır. In this thesis, different optomechanical design and adhesive configurations formounting mirrors and prisms used in a laser system are investigated. Maintainingstability and strength of optical components of a laser device is difficult especially ifthe system is to be used in military environment.In order to determine the strength of prism mounts to high acceleration levels,mathematical correlations derived by Yoder are used. By use of these mathematicalcorrelations, safety factor of different prism mounts and adhesive configurations arecalculated for an acceleration level of 40g.So as to decide most stable mirror mount and adhesive configuration, severalexperiments are conducted. For the experiments, 5 different optomechanical mountsare designed. Then, 25 mirrors are bonded to the designed mounts with 5 differentadhesives. These experiments are done to simulate harsh military environmentalconditions such as thermal shock, mechanical vibration and mechanical shock.In the experiments, angular movement of mirrors due to adhesive cure, thermalshock, mechanical vibration and mechanical shock are monitored. Thermal shock isapplied between -40ºC and 70ºC with a temperature change of 22ºC/min. On theother hand, mechanical vibration of 14 grms and mechanical shock of 40g for 6 ms isapplied in the experiments.Shortly, this study is done for determination of the most stable mirror and prismmount design and adhesive combination of a laser system subjected to extremelyharsh environments. 149

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007, Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2007, Bu çalışmadaki amaç, girdap yaratıcıların dairesel silindir etrafındaki akışa ve girdap oluşma mekanizmasına olan etkilerinin deneysel ve hesaplamalı olarak ortaya konması ve farklı türbülans modellerinin performansının test edilerek modelleme yetisi en yüksek olan türbülans modelinin belirlenmesidir. Deneysel çalışma, 1.6mm yüksekliğindeki girdap yaratıcıların silindir çevresine dört farklı açıda yerleştirildikleri vakalar ve girdap yaratıcı içermeyen yalın silindir vakası ile birlikte toplam beş ayrı vakanın silindirin boyuna doğrultusunda orta düzleminde iz bölgesini içeren bir alanda iki boyutlu olarak gerçekleştirilen DPIV ölçümlerini kapsamaktadır. Çalışmadaki Reynolds sayısı 41300 ve buna karşılık gelen silindir akış rejimi ise kritik altı rejimdir. PIV görüntülerinden elde edilen akış alanlarının analizi, Reynolds Ayrıştırması, Sabit Faz Ayrıştırması ve POD olmak üzere, üç ayrı teknik ile gerçekleştirilmiştir. Girdap yaratıcıların etkisi, vakaların kendi aralarında ve yalın silindir ile karşılaştırmaları ile belirlenmiş, sonuçlar tartışılmıştır. Hesaplamalı çalışmadaki amaç, yalın ve girdap yaratıcılı silindir etrafındaki akışın, deneysel çalışmada yer almayan yanlarının da ortaya konabilmesi ve bu karmaşık akışı en iyi şekilde modelleyen türbülans modelinin çalışmada ele alınan tek denklemli ve iki denklemli türbülans modelleri arasından seçilmesidir. Çalışma, girdap yaratıcıların dolgun cisimler etrafındaki akışa olan etkisinin incelenmesine detaylı analizlerle yenilik getirmekte, özellikle daha önce gözlenmemiş olan iz yapısını açık biçimde ortaya koymaktadır. Ayrıca, böylesi karmaşık bir akışın RANS temelli türbülans modelleri ile çözülebildiği, pek çok alanda başarısını ispatlamış olan SST türbülans modelinin akış yönünde girdaplar ve kuvvetli ayrılma içeren akışlarda tercih edilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Çalışma ayrıca, girdap yaratıcıların gemiler etrafındaki akım ayrılmasını kontrol etmek üzere gerçekleştirilecek dizayn sürecine önemli katkılar yapabilecek bir altyapı hazırlamıştır., The aim of the study is to investigate the effect of the streamwise vortex generators both experimentally and computationally to the flow around circular cylinder and vortex formation mechanism and to test the performance of different well-known RANS based turbulence models on predicting such a complex flow field. In the experimental study, wake oscillations of the circular cylinder and vortex shedding are visualized with digital PIV system. Experimental study consists of cases including bare cylinder and cylinder with vortex generators. The Reynolds number investigated is 41300, which corresponds to the sub-critical flow state. The analysis of the flow fields are processed with Reynolds decomposition, constant-phase decomposition and proper orthogonal decomposition. The aim of the computational study is to investigate the additional features of the flow which are not included in the content of the experimental study, and the selection of the best turbulence model, which fits the flow around circular cylinder with vortex generators, among the investigated one equation and two equation turbulence models. The study provides a contribution to the literature about the effect of vortex generators to the flow around circular cylinder and includes detailed investigation of the wake pattern and also expected to be a good reference for the predictive capability of the investigated turbulence models. The results shows that such a complex flow can be simulated with RANS-based turbulence models and Shear Stress Transport k- model which performs very well in many areas should be the first choice for the simulation of vortical flow with massive separation. The study also provides a basic knowledge for the design process of the control of the flow separation around ship hulls which is of great importance in the hydrodynamical area., Doktora, PhD

oz Bu projede, strontium titanate tozu sol-gel ve Pechini metodları kullanılarak yapılmıştır. Sol-gel metodunda, tozlar Ti02 solu ve Sr(N03>2 solüsyonu karıştırılarak üretilmiştir. Sr(N03)2 solüsyonunun eklenmesinden sonra çökelme gözlenmiştir. Her iki yöntemle de ikişer toz üretilmiştir. Sol-gel metodunda, asit:alkol oranı değiştirilmiştir. Pechini metodunda, sitric acitin % 50 si poliakrilik asit ile değiştirilmiştir. Tozların karakterizasyonları termal gravimetrik analiz (TGA) cihazı, Fourier değişimli infrared spektra (FTIR), XRD, taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve optik mikroskop kullanılarak yapıldı. TGA verilerine dayanarak, sol-gel tozu için kalsinasyon sıcaklığı 650 °C olarak seçilmiştir. XRD sonuçları, bu sıcaklığın SrTiC>3 fazının tamamı ile oluşması için yeterli olmadığını göstermiş, ancak FTIR spektralarında nitrat ve organik piklerine rastlanmamıştır. Sinterleme çalışmaları, sol-gel tozunda çok kuvvetli topaklanmalar olduğunu göstermiştir. Sol-gel tozlarının relatif yoğunlukları sinterlemeden sonra dahi çok düşüktür. Pechini tozları daha zayıf topaklanmalara sahiptir ve sinterlemeden sonra daha yüksek relatif yoğunluklar göstermiştir. Pechini tozlarının çapları 0.2-0.5 um arasında bulunmuştur. Üretilen toz değişik yüzdelerde, pirinç yağının içinde dağıtılarak, katı yüzdesinin reolojik davranış üzerindeki etkisi araştırıldı. Bunun için bir rheometre kullanıldı. Farklı kayma gerilimlerinde ve hacimsel toz fraksiyonlarında çalışmalar yapılmıştır. Kararlı olmayan süspansiyonlar kayma gerilimi arttıkça viskozitede azalma göstermiştir, bu da topaklanmalara işaret eder. Ancak yüzey aktif maddesi eklendikten sonra, süspansiyonlar kararlı hale gelmiş ve dilatant ya da Newtonian davranış göstermişlerdir. Katı yüzdesindeki artış, kararlı haldeki süspansiyonlar için viskozitede çok büyük değişiklik yapmamıştır. ABSTRACT In this project, strontium titanate powders were prepared by using sol- gel and Pechini methods. In sol-gel method, the powders were prepared by mixing the TİO2 sol and Sr(NC>3)2 solution. Precipitation was observed after the addition of Sr(N03)2 solution. Two powders were prepared by each method. In sol-gel method, acid:alcohol ratio was changed. In Pechini method, 50% of citric acid was substituted with polyacrylic acid. The characterization of the powders were performed by Fourier Transform Infrared Spectrophotometer (FTIR), Thermogravimetric Analyzer (TGA), Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Diffraction and Optical Microscope. The calcination temperature of 650 °C was chosen for sol-gel powder according to TGA data. XRD pattern showed that this temperature was not high enough to form complete SrTi03 phase, but no peaks related to nitrates or organic groups was observed in FTIR spectra. Sintering studies indicated that the agglomeration of sol-gel powder was very strong because the relative densities were very small. Pechini powders had weaker agglomerates and sintered to higher densities. The diameters of the Pechini powders were found as in the range of 0.2-0.5 um. The powders were dispersed in white oil and the rheological behaviour of these dispersions was studied by a rheometer. Several runs at different shear rates, and volume fractions were done. The suspensions without surfactant showed shear-thinning behavior, which indicates that the suspensions were flocculated. The addition of surfactant in certain amount produced stabilized suspensions. The stabilized suspensions showed Newtonian or Dilatant behaviour. The increase in the solids loading did not show significant change in the viscosity of stabilized suspension. 85

Küresel ısınma, günümüzde insanlığa yönelik en büyük tehditlerden biridir. Bunun başlıca nedeni, CO2 üretimi ile sonuçlanan fosil yakıtların kullanılmasıdır. Mevcut çalışma, CO2 sorununa çözüm olacak iki moleküle yoğunlaşarak, CO2 indirgeme reaksiyonu için sürdürülebilir kaynaklar kullanarak katalitik yüzeyler geliştirmeyi amaçlar. Son yıllarda CO2 indirgeme reaksiyonu üzerine etkili olabilecek yüzeyler üzerine bir çok araştırma bulunmaktadır. Metallerden yarı iletkenlere, nanomalzemelere ve foto-elektro-termal katalizlere kadar her türlü malzeme ve teknik üzerine çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmada ortaya çıkarılan önemli nokta, indirgenme reaksiyonları sırasında oluşan reaksiyonların malzemenin morfolojisine bağlı olduğudur.Bölüm 1, küresel olarak nerede durduğumuzu vurgulayan CO2 ikileminin genel bir resmini sunmaktadır. Önce CO2 ve H2O ile ilgili termodinamik ve kinetik konseptler basitliği nedeniyle hidrojen evrimi reaksiyonu hakkındaki bilgileri tartışarak başlar. Daha sonra, metan, karbon monoksit, metanol vb. gibi daha karmaşık bir ürün dizisine neden olan CO2 indirgenme reaksiyonları tartışılır. Ayrıca, Hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) ve CO2 indirgenme (CO2R) reaksiyonları tartışıldıktan sonra plasma ile CO2 indirgenme reaksiyonları mekanizması da tartışılır. Bu bölümde ayrıca, indirgeme süreçleri için malzeme seçiminin önemi de tartışılmakta ve halihazırda indirgeme amacıyla kullanılan malzemelere ilişkin raporlar da sunulmaktadır.Bölüm 2'de metalik nanoteller ile HER mekanizması tartışılmaktadır. Metalik nanotellerin oluşturulması plazma işlemini kullanarak yapılmıştır ve bildiğimiz kadarı ile bu çalışma bu konudaki ilk rapordur. Bu nanotellerin SEM, XRD, XPS ve Raman spektroskopisi, ardından HER'de uygulanması karakterize edilir. Bu nanoteller, düz metal bakır yüzey formuna kıyasla mükemmel performans gösterdi ve 10mA / cm2 spesifik akım yoğunluğunda, düz bakır elektrotlara göre %50 daha az aşırı potansiyel gösterdi. Ayrıca değişim akımı yoğunluğu en az altı kat artış gösterdi.Bölüm 3 CO2 indirgenmesi için metalik bakır nanotellerin kullanımına ilişkin bulgular sunar, CO2 indirgenme reaksiyonları sonucunda açığa çıkan türleri incelemek için ayrı bir karşı elektrot bölmesine sahip geleneksel iki odacıklı elektrolitik hücre kullandık. Çıkan ürünler, bir gaz kromatografisi ile analiz edildi. Bu çalışmada metalik nanotellerin genel olarak gazivhalindeki ürünlere, düz bakır yüzeylere kıyasla daha seçici olduklarını bulduk. Uygulanan potansiyel daha yüksek değerlere yükseltildiği için, düz bakır yüzeyinde gözlenmeyen CH4 ve CO oranlarının arttığını gördük.Bölüm 4, Cu ve Ni oksit yüklü destekler (Al2O3 ve SiO2) üzerinde CO2 indirgenme reaksiyonu için dielektrik bariyer boşalma (DBD) ile plazma tekniğinin kullanımını tartışmaktadır. CO2 indirgenme reaksiyonunun gerçekleştirilmesi için bir reaktör sistemi tasarlanmıştır. Bu çalışmada bakır oksit yüklü alümina üzerinde doymuş hidrokarbon oluşumunu gözlemledik, nikel oksit yüklü silika ise doymamış hidrokarbonları tercih etti.Bölüm 5, HER için NiS ve CuS kullanımıyla ilgili ayrıntıları sunmaktadır. Sentezden sonra her iki yüzey de plazma ile muamele edildi ve bu işlem sonucunda değiştirilmiş morfoloji gösterildi. Plazma ile işlem görmüş ve görmemiş metal sülfürler kıyaslandığında, spesifik akım yoğunluğuna ulaşmak için aşırı potansiyelde neredeyse 100mV fark bulunduğu gösterildi.En son bölümde ise, sonuçlar özetlenmiş ve gelecekte planlanan çalışmalar listelenmiştir. Genel olarak, bu tez çalışmasında, verimli bir enerji dönüşümü amacı ile enerji dönüşüm süreçleri için yeni yüzeyler ve teknikler değerlendirilmiş ve metalik bakır nanotellerin HER reaksiyonu sırasında düz bakır yüzeyden daha verimli olduğunu ve özel akım yoğunluğuna ulaşmak için gereken aşırı potansiyelin yarı yarıya azaldığını bulduk. Aynı nanoteller CO2R için test edildiğinde, düz bakır yüzeye göre toplam gaz miktarında % 30 artış gözlendi. Metal oksit yüklü desteklerde CO2'nin plazma indirgenmesi sırasında, CuO yüklü numunelerin doymuş hidrokarbonlara karşı seçici olduğu, NiO yüklü numunelerin ise toplam % 30'a varan bir CO2 dönüşüm verimliliği ile doymamış hidrokarbonlara karşı seçici olduğu sonucuna varılmıştır. Global warming is one of the major threats to humanity at present. The major cause is utilisation of fossil fuels which results in CO2 production. Present work establishes an understanding on the two molecules i.e. CO2 and H2O which are at the core of solution for the CO2 problem with an aim to develop catalytic surfaces for CO2 reduction reaction using sustainable sources. Researchers are working on developing surfaces which can help reduce these molecules effectively. All sorts of materials and techniques are under consideration from metals to semiconductors to nanomaterial and photo-electro-thermal catalysis. Our study points out one major finding, which is that the binding energy of an intermediate during any reduction process depends on the morphology of the material. Chapter 1 presents an overall picture of the CO2 dilemma with an emphasis on where we stand globally. It begins by first discussing thermodynamics and kinetics related to CO2 and H2O with a more subtle reading on hydrogen evolution reaction due to its simplicity. The same understanding can be applied to CO2 which results in more complex array of products such as methane, carbon monoxide, methanol etc. It also discusses the mechanism of HER and CO2R which is followed by text on plasma CO2 reduction. This chapter also deals with discussion of materials selection for reduction processes and also presents reports in tabulated form on the earth abundant materials presently being utilised for reduction purposes. Chapter 2 discusses HER on metallic copper nanowires, this is the first report on making nanowires using DBD plasma process. These nanowires are characterised by using SEM, XRD, XPS and Raman spectroscopy, followed by application in HER. These nanowires showed excellent performance in comparison to bulk copper surface form; by reaching the specific current density of 10mA/cm2 with an overpotential half the present value on bulk surfaces, also the exchange current density increase to at least six times. Chapter 3 presents findings on the use of metallic copper nanowires for CO2 reduction, we used a conventional two chamber electrolytic cell with separate counter electrode compartment to study CO2 reduced species. The products are analysed by using GC2014 with a column MS5A and nitrogen is used as carrier gas. We found that metallic nanowires are more selective to overall gaseous products as compare to their bulk counter part(flat copper surface). As the applied potential was increased to more higher values, the proportion of CH4 and CO is increased which is not observed in flat copper surface. Chapter 4 discusses the utilisation of DBD plasma technique for CO2 reduction on Cu and Ni oxide loaded supports (Al2O3 and SiO2). Inhouse system is built to carryout the CO2 reduction reaction. We observed the formation of saturated hydrocarbons on copper oxide loaded alumina while nickel oxide loaded silica showed preference for unsaturated hydrocarbons. Chapter 5, presents details on the use NiS and CuS for HER. Both surfaces after synthesis are treated with plasma and showed altered morphology. On comparison between plasma and non plasma treated metal sulphides, there is almost 100mV difference in overpotential to reach specific current density. In the end, main conclusions and future work are listed followed by references used in this study. Overall, in this thesis, new surfaces and techniques are evaluated for energy conversion processes with a goal of efficient energy conversion and we found that metallic copper nanowires are more efficient then bulk copper surface during HER reaction, the overpotential required to reach specific current density decreased by half; when metallic nanowires are used instead of bulk copper surface. When the same nanowires are tested for ECO2R, 30% increase in overall gaseous product is observed. During plasma reduction of CO2 on metal-oxide loaded supports, it is concluded that CuO loaded samples are selective towards saturated hydrocarbons while NiO loaded samples are selective towards unsaturated hydrocarbons with a total CO2 conversion efficiency of up to 30%. 109

Küresel ısınma ve fosil yakıtların hızla tükenmesinden dolayı yenilenebilir enerjiye olan ihtiyaç artış göstermektedir. Piller ve super kapasitörler gibi enerji depolama sistemleri dengeli ve düzenli güç sağlamak için gereklidir. Elektrokimyasal kapasitörler yüksek güç yoğunlukları ve hızlı şarj-deşarj özellikleri sayesinde son yıllarda popülerlik kazanmışlardır. Elektrot malzemeleri super kapasitörlerin elektrokimyasal performansları üzerinde önemli etkiye sahiptir. Bu nedenle, iletken akım toplayıcılardan ve nano-yapılı aktif malzemelerden oluşan elektrot malzemelerinin düzgün bir araya getirilmesi, sistem performansından maksimum yararlanabilmek için son derece önemlidir. Bu çalışmada, grafen ile metal oksitlerin kompozitleri hazırlanılarak kendi kendine durabilen ve esnek elektrotlar elde edilmiştir. Bu amaçla, grafen oksit elektrotları modifiye Hummers yöntemi ile sentezlenen grafen oksit solüsyonundan elde edilmiştir. Grafen oksit elektrotlar kimyasal ve termal tavlama yöntemleri kullanılarak indirgenmiştir. Farklı indirgeme yöntemlerinin morfoloji ve elektrokimyasal özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Daha sonra, esnek ve kendi kendine durabilen elektrotlar elde etmek için mangan oksit filmler indirgenmiş grafen oksit elektrotlar üzerinde katodik elektrodepozisyon yöntemi ile büyütülmüştür. Elektrodepozisyon potansiyeli ve kaplanan mangan oksit miktarının morfolojik ve elektriksel özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kaplanan mangan oksit Hausmannite fazı çevrimsel voltametri ve şarj/deşarj ölçümleri sırasında yüksek performans göstermiştir. Mangan oksit kaplı elektrotlar, şarj/deşarj ve çevrimsel voltametri ölçümlerinde sırasıyla 546 F g−1 (0.5 A g−1 akım yoğunluğunda) ve 308 F g−1 (1 mV s−1 tarama hızında) gibi umut vadeden kapasitif performans göstermişlerdir. Çevrimsel voltametri sırasında, mangan oksitin Hausmannite fazından karışık değerlikteki MnOx fazına dönüştüğü gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, kendi kendine durabilen indirgenmiş grafen oksit elektrotları üzerinde biriktirilmiş MnOx nano yapıları, 10000 çevirim sonunda ilk kapasitans değerinin %154'ünü korumuştur. Son olarak, süperparamanyetik demir oksit nanopartikülleri ve indirgenmiş grafen oksit kompozitleri iki farklı yöntem ile hazırlanmıştır. Demir oksit miktarının kompozit yapısında arttırılmasıyla spesifik kapasitans değerlerinin beklendiği gibi yükseldiği gözlemlenmiştir. Şarj/deşarj analizleri sonucunda 0.5 mA cm-2 akım yoğunluğunda 203 F g-1 deşarj kapasitesi elde edilmiştir. Bu değer 2 mg ağırlığındaki bir elektrot için yüksektir ve bu elektrotlar pratik uygulama alanlarında kullanılabilir. Ayrıca, üretilen demir oksit/ indirgenmiş grafen oksit kompozit elektrotları sulu elektrolit içinde geniş potansiyel aralıkta çalışabilmektedirler (1.6 V) ve 10000 çevirim sonucunda başlangıçtaki kapasitans değerinin %78'i korunmuştur. Due to depletion of fossil fuels and global warming, there is an increasing need for clean and renewable energy as well as efficient energy storage technologies. Energy storage systems such as batteries and supercapacitors are required for balanced and continuous power supplies. Electrochemical Capacitors have received great attention due to their high energy density and high charge-discharge efficiency. Electrode material plays an important role in the performance of energy storage devices. Therefore, proper construction of electrode materials composed of highly conductive current collectors and nanostructured active materials are crucial for full utilization of the device performance.In this thesis, graphene paper and metal oxide composites are prepared as self-standing and flexible electrodes for electrochemical capacitors. For this purpose, graphene oxide paper is obtained from graphene oxide solution synthesized via Hummers' method. Reduction of graphene oxide paper is performed via chemical reduction and thermal annealing. Effects of different reduction techniques on the morphology and electrochemical properties are examined. Then, cathodic electrodeposition of manganese oxide onto reduced graphene oxide paper is carried out to prepare flexible and binder-free electrodes for electrochemical capacitors. Effects of electrodeposition potential and the amount of deposited mass on the electrochemical performance are examined. Hausmannite phase manganese oxide coated electrodes exhibit promising performance in charge-discharge and cyclic voltammetry measurements with specific capacitance of 546 F g−1 at current density of 0.5 A g−1 and 308 F g−1 at scan rate of 1 mV s−1, respectively. During potential cycling, phase transformation of Mn3O4 to mixed-valent MnOx is observed. Consequently, MnOx nanostructures on self-standing reduced graphene oxide electrodes have 154% capacitance retention at 10000 cycles of cyclic voltammetry. Lastly, superparamagnetic iron oxide nanoparticles decorated reduced graphene oxide papers are prepared via two different methods. Increasing the amount of iron oxide nanoparticles on the graphene papers results in enhanced capacitance, as expected. In the galvanostatic charge-discharge measurements, Fe3O4/rGO electrode exhibits specific capacitance of 203 F g-1 at 0.5 mA cm-2. This value is remarkable since the electrode has a high weight of 2 mg cm-2, which shows that the electrode can be used for practical purposes. Moreover, Fe3O4/rGO electrodes achieves wide working potential window of 1.6 V (in aqueous electrolyte) and high capacitance retention of 78% at 10000 cycles. 96

Bu çalışmada, Aurivillius yapısında katmanlı perovskitlerin sentezi ve sentezlenen malzemelerin fotokatalitik ve fotovoltaik özelliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Deney sonuçlarının yanı sıra bu malzemeler ile yapılabilecek olası uygulamalar her bölüm içerisinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.İkinci bölümde, Aurivillius yapısındaki çift katmanlı perovskitlerin hazırlanmasına ve kimyasal işlem ile eksfoliasyonuna (Sıvı Faz Eksfoliasyon Metodu) odaklanılmaktadır. Literatürde, lantanit katkılı eksfoliasyon ile katmanlandırılmış perovskit nanotabakaların üst enerji dönüşüm ışıması üzerine bir rapor bulunmamaktadır. Aurivillius fazındaki Er(III), Ho(III), Tm(III) ve Yb(III) katkılı Bi₂SrTa₂O₉ katmanlı oksitinin üst enerji dönüşüm davranışı incelendiğinde bu ferroelektrik fazın oda sıcaklığında ayarlanabilir üst enerji dönüşüm ışıması gösterdiği görülmüştür. Katkılı Aurivillius fazı, istenilen miktardaki lantanitler ile perovskit katmanında Sr(II) bulunan alanların yer değiştirmesi sağlanarak katı hal reaksiyonu ile sentezlenmektedir. Lantanitlerin proton değiştirilmiş ve eksfoliasyon uygulanmış Aurivillius fazında da üst enerji dönüşüm ışıması gözlenmiştir. Bu durum, lantanitlerin [SrTa₂O₇]2- perovskite tabakasına katıldığını kanıtlamaktadır. Lantanitlerin konsantrasyonunun ve aktifleştiricinin duyarlayıcıya oranının üst enerji dönüşüm spektrumları üzerine etkisi incelenmiştir ve ayrıca üst enerji dönüşüm işlemine katılan fotonların sayısına bağlı olarak olası enerji transferleri ve üst enerji dönüşüm mekanizmalarıönerilmiştir. Bu bölümde, katkılı Aurivillius yapısında katmanlı perovskitlerin 2 boyutlu tek nanotabakalarının üst enerji dönüşüm ışıması özelliği rapor edilmiştir.Üçüncü bölümde Bi2Sr0.95Er0.05B2O9 ve Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05B2O9 [B: Ta5+ ve Nb5+] genel formülüne sahip Aurivillius fazlı Er(III) katkılı oksitlerin ısı ölçme davranışları için floresan yoğunluğu oranı (FIR) tekniği kullanılarak yapılan araştırmalar açıklanmıştır. Saf oksitler katı hal reaksiyonuyla sentezlenmiştir ve yapısal ve parlaklık özellikleri farklı sıcaklıklar için çalışılmıştır. Tek olarak katkılanmış örnekler önceden raporlanmış kat kat yapılmış perovskitlere göre duyarlılık gösterirken yapıya duyarlaştırıcı (Yb3+) eklemesinin, duyarlılığı, kristal boyutunu ve enerji düzeylerini değiştirmesiyle artırması ilgi çekicidir. BST (Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05Ta2O9) ve BSN (Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05Nb2O9) örnekleri için maksimum duyarlılık sıcaklık 400°C'ye yaklaşırken sırasıyla 0.0073K-1 ve 0.0098K-1 olarak elde edilmiştir. Bu oksitlerin yüksek Curie sıcaklıklarına sahip olma, iyi ısıl kararlılık ve yüksek sıcaklıklarda üstün duyarlılık gibi özellikleri geniş aralık ve yüksek sıcaklık uygulamalarında sıcaklık ölçüm araçları için umut verici olabilir.Dördüncü bölümde Er3+ katkılı BST nanoparçacıklarının çift ışıma davranışları açıklanmıştır. Tek aktive edici iyonuna sahip tekli örgüdeki stoke ve anti-stoke yayımının aynı anda bulunmasının üstünlüğü, ayrıca UC (upconversion, üst enerji ışıması) parlaklığının sadece duyarlaştırıcı/aktive edici oranıyla ayarlanması gibi ilgi çekici özellikler sahteciliğe karşı yüksek güvenlik amacıyla çift modlu alacalı parlaklık mürekkepleri üretmek için kullanılabilir. The main objective of this study is to synthesis layered perovskite with Aurivillius structure and explore their photocatalytic and photovoltaic properties. The results of the experiments as well as their possible applications are described in detail within each chapter.Chapter two focuses on the preparation of double layered Aurivillius perovskites and their exfoliation by chemical processing (Liquid Exfoliation route). There is no report on the upconversion luminescence from the nanosheets of exfoliated perovskite type layered structures doped with lanthanides. The upconversion (UC) behaviour of Aurivillius phase Bi₂SrTa₂O₉ layered oxide doped with Er(III), Ho(III), Tm(III) and Yb(III) is demonstrated. This ferroelectric Aurivillius phase showed tunable upconversion emission at room temperature. The doped Aurivillius phase was synthesized with solid state method with desired amount of lanthanides substituting Sr(II) sites in the perovskite layer. The upconversion emission from lanthanides was observed also for the proton exchanged and exfoliated Aurivillius phase, which proves that lanthanides are doped into the perovskite [SrTa₂O₇]²- layer. The effect of concentration of lanthanides and sensitizer to activator ratio on the upconversion spectra are investigated and also possible energy transfer and upconversion mechanisms are suggested based on the number of photons participating in UC process. Herein, we report the 2D single nanosheets of doped Aurivillius phase layered perovskite capable of upconversion emission.Chapter three describes research performed on the thermal sensing behavior in Er(III) doped Aurivillius phase oxides with general formula of Bi2Sr0.95Er0.05B2O9 and Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05B2O9 [B: Ta5+ and Nb5+] based on fluorescence intensity ratio (FIR) technique. Pure oxides are synthesized through solid state reaction and their structural and luminescence properties are studied at different temperatures. While singly doped samples have shown sensitivity comparable to previous reports of layered perovskites, it is interesting to see that addition of sensitizer (Yb3+) to the structure can significantly enhance sensitivity by modifying crystalline size and structure of energy levels. The maximum sensitivity of 0.0073K-1 and 0.0098K-1 was obtained for Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05Ta2O9 (BST) and Bi2Sr0.75Yb0.20Er0.05Nb2O9 (BSN) samples respectively when temperature approaches 400°C. As a result of high curie temperature, good thermal stability and superior sensitivity at high temperature, these oxides can be promising temperature probes for wide range and high temperature applications.Chapter four describes the study of dual luminescence behaviour in Er3+ doped BST nanoparticles. The superiority of coexistence of stoke and anti-stoke emission in a single host lattice with a single activator ion, besides to tunability of UC luminescence only by controlling sensitizer/activator ratio are very interesting features which can be used to produce dual mode multicolor luminescent ink with high security level against forgery. 135

Fosil yakıtlarının engellenemez tükenişiyle beraber, dünyadaki muazzam enerji talebi sürdürülebilir enerji kaynaklarıyla (güneş, rüzgar, vb.) sağlanacaktır. Ancak bu kaynaklar sürekli çalışamadıkları için, verimli kullanımları ileri düzeyde enerji depolama ve dönüştürme aygıtlarının geliştirilmesine bağlıdır. Bu bağlamda, elektrokimyasal kapasitörler, piller ve yakıt pilleri, sürdürülebilir kaynakların kesintisiz çalışmasına yardımcı olabilecek veya tek başlarına günlük enerji ihtiyaçlarını karşılayabilecek ana elektrokimyasal enerji sistemleri olarak sayılabilir. Bahsedilen elektrokimyasal enerji aygıtlarının ana bileşeni olan elektrotlar, aktif malzeme ve akım kolektöründen oluşur. Buradaki aktif malzemenin fizikokimyasal özellikleri, oluşturulan aygıtın genel performansını belirleyen önemli bir parametredir.Bu tez çalışması, elektrokimyasal uygulamalar için grafen oksit (GO) ve metal/metal hidr(oksit) kompozit elektrotların sentezlenmesine adanmıştır. İlk bölümde, elektrokimyasal kapasitörler için iki-boyutlu kompozit elektrotların üretimi sunulmuştur. Basit elektrostatik etkileşimler yardımıyla birinci sıradaki geçiş metal katyonları (Co2+, Ni2+, Mn2+, Fe2+), GO ile bir araya getirilmiştir. En yüksek kapasitans değeri sırasıyla Fe/GO (38.7 mF cm-2), rCo/GO (31.6 mF cm-2) ve rFe/GO (29.1 mF cm-2) elektrotlarıyla elde edilmiştir (elektrokimyasal olarak indirgenmiş kompozitlerin başına `r` getirilmiştir). Kullanılan metalin cinsi, kompozitin yük depolama özelliklerini doğrudan etkilemiştir: rCo/GO ve rNi/GO elektrotlarınınki difüzyonla sınırlı kalırken, rMn/GO ve rFe/GO psödo-kapasitif özellik göstermiştir. Buna ek olarak, çok ince Ni(OH)2/GO elektrotları katman-katman bir araya getirilmiş ve GO'nun elektriksel iletkenliğini artırmak için, hidrazin buharında indirgenmiştir. İndirgenmiş 9-çift katmanlı [Ni(OH)2/GO], 2 mV s-1 tarama hızında 8.6 mF cm-2 kapasitans sergilemiştir; bu değer literatürdeki katman-katman bir araya getirilmiş [CoAl LDH/rGO] ince filminden üç kat daha yüksektir. Katman katman bir araya getirme yöntemi, süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıkları (SPION)/GO ince filmlerinin oluşturulmasında da kullanmıştır. En gelişkin elektron paramanyetik rezonans spektroskopisi, karbondaki kusur merkezleri ve demirdeki paramanyetik merkezlerin elektrokimyasal performansı belirlemek için bir yarış içinde olduklarını göstermiştir. Sonuç olarak indirgenmiş 9-çift katmanlı [SPION/GO] filmi, 5 mV s-1 tarama hızında 1570 F g-1 spesifik kapasitansa ulaşarak literatürdeki bütün katman-katman bir araya getirilmiş demir oksit/indirgenmiş grafen oksit filmlerin ve geçiş metal oksit/GO kompozitlerin çoğunun önüne geçmiştir. Bütün katman-katman bir araya getirilmiş kompozitlerin analizinde görülmüştür ki, oluşturuldukları halleriyle psödo-kapasitif özellik gösteren elektrotlar, hidrazin ile indirgendikten sonra pillerde görüldüğü gibi difüzyonla-sınırlandırılmış yük depolama sergilemişlerdir.Bu tez çalışmasının ikinci kısmında, grafenin gelecek nesil üç boyutlu formu olan grafen aerojellerin (GA) sentezi sunulmuştur. GO solüsyonlarının tek-aşamalı hidrotermal muamelesiyle ve süperkritik CO2 (scCO2) kurutmanın yardımıyla, yaklaşık 700 m2 g-1 yüzey alanına sahip GA yapıları oluşturulmuştur. Nikel-köpük üzerine kaplanan GA elektrotları, literatürdeki benzer malzemelerden daha yüksek spesifik kapasitansa ulaşmıştır (5 mV s-1 tarama hızında 390 F g-1). Sentezlenen GA'lar daha sonra metal nanoparçacıklarıyla donatılarak, oksijen oluşturma (OER) ve oksijen indirgeme (ORR) reaksiyonlarına olası elektrokatalizörler olarak kullanılmıştır. OER elektrokatalizörleri olarak Ni/GA kompozitleri, tek-aşamalı hidrotermal reaksiyon ve devamında H2/He ortamında termal indirgenme yöntemiyle sentezlenmiştir. Ürenin kesintisiz hidroksil iyon sağlayıcısı olarak kullanımıyla, Ni yükleme miktarı kütlece yüzde 1.5 ile 40 arasında kontrollü olarak değiştirilmiştir. Yüzde 40 Ni içeren Ni/GA kompoziti, 10 mA cm-2 akım yoğunluğu için literatürdeki yüzde 80'lik Ni/GA'dan 110, yüzde 20'lik Ir/C ve yüzde 20'lik Ru/C'dan 50 mV daha düşük bir aşırıgerilim (320 mV) gerektirmiştir. Son olarak, olası ORR elektrokatalizörleri olarak Pt yüklenmiş GA'lar scCO2 yardımıyla sentezlenmiştir. Pt nanoparçacık boyutu, termal dönüştürme sıcaklığını 400'den 800 °C'ye çıkararak 1.2 ve 2.9 nm arasında değiştirilmiştir. Eşzamanlı olarak, GA yapısı sıcaklık arttıkça termal olarak oksijenlerinden arındırılmıştır. Sentezlenen Pt/GA(600) kompozitinin, 102 m2 g-1 gibi yüksek bir elektrokimyasal yüzey alanına sahip olduğu görülmüştür. Bu değer, ticari olarak kullanılan Pt/C'unkinden daha yüksektir. Diğer bir taraftan, Pt/GA elektrokatalizörlerinin birim kütledeki aktiviteleri şu şekilde sıralanmıştır: Pt/GA(600)>Pt/GA(400)>Pt/GA(800). The massive energy demand in the world will be supplied by renewable energy sources (solar, wind, etc.) with the inevitable depletion of fossil fuels. However, efficient utilization of these sources heavily depends on the development of advanced energy storage and conversion devices due to their intermittent nature. In this regard, electrochemical capacitors, batteries, and fuel cells are the main electrochemical systems that can assist the continuous operation of the renewable sources, or offset the daily energy need individually. The common component in all the electrochemical energy devices is the electrodes which contain active material and the current collector. Physicochemical properties of the active material determine the overall device performance.This dissertation is devoted to the synthesis of graphene oxide (GO) - metal/metal (hydr)oxide composite electrodes for electrochemical applications. In the first part, production of two-dimensional composite electrodes is presented as electrochemical capacitor electrodes. First row transition metal cations (Co2+, Ni2+, Mn2+, Fe2+) and GO were combined by utilization of simple electrostatic interactions. The highest capacitance was obtained with Fe/GO (38.7 mF cm-2) followed by rCo/GO (31.6 mF cm-2) and rFe/GO (29.1 mF cm-2) at 20 mV s-1, where r represents electrochemically-reduced composites. The nature of the metal was influential in the charge-storage mechanism of the composites: while rCo/GO and rNi/GO were governed by diffusion-limited processes, rMn/GO and rFe/GO showed pseudocapacitive behavior. Furthermore, ultrathin electrodes of Ni(OH)2 and GO were produced via layer-by-layer assembly (LBL) followed by hydrazine vapor reduction to enhance electrical conductivity of GO. Reduced 9-bilayer [Ni(OH)2/GO] film exhibited areal capacitance of 8.6 mF cm-2 at 2 mV s-1, 3-fold higher than that of LBL-assembled [CoAl LDH/rGO] thin film reported in the literature. LBL-assembly was also utilized to produce superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION)/GO thin films. State-of-the-art electron paramagnetic resonance results revealed the competition between carbon defect centers and Fe-related paramagnetic centers on the electrochemical performance. In fact, reduced 1-bilayer [SPION/GO] had enhanced specific capacitance of 1570 F g-1 at 5 mV s-1, outperforming all the LBL-assembled iron oxide/rGO films and most of the transition metal oxide/rGO composites in the literature. In all the LBL-grown composites, as-deposited films exhibited pseudocapacitive properties, whereas hydrazine-reduced films showed more diffusion-limited charge storage, like in batteries.In the second part of the thesis, synthesis of graphene aerogels (GAs) is presented as the next-generation three-dimensional form of graphene. One-step hydrothermal treatment of GO solutions resulted in formation of high surface area GAs (~700 m2 g-1) with the aid of supercritical CO2 (scCO2) drying. Obtained metal-free GA electrodes on nickel foam exhibited superior specific capacitance (390 F g-1 at 5 mV s-1) than the counterparts reported in the literature. GAs were later decorated with metal nanoparticles as possible electrocatalysts for oxygen evolution (OER) and oxygen reduction reactions (ORR). Ni/GA composites were synthesized via one-pot hydrothermal reaction coupled with thermal reduction under H2/He environment as possible OER electrocatalysts. By using urea as the continuous hydroxyl ion supplier during the hydrothermal reaction, Ni loading was tuned between 1.5 and 40 wt % in a highly-controlled fashion. Ni/GA with 40 wt % Ni exhibited low overpotential of 320 mV for the supply of 10 mA cm-2 which is 110 mV lower than that of 80 wt % Ni/GA and 50 mV lower than that of 20 wt % Ir/C and 20 wt% Ru/C reported in the literature. Lastly, Pt loaded GAs were synthesized by scCO2 assisted deposition as possible ORR electrocatalysts. Pt nanoparticle size was varied from 1.2 to 2.9 nm by increasing the thermal conversion temperature from 400 to 800 °C. Simultaneously, gradual thermal deoxygenation of GA was observed. Obtained Pt/GA converted at 600 °C had enhanced electrochemical surface area of 102 m2 g-1, which is higher than that of commercial Pt/C. Overall, the mass activities of Pt/GA electrocatalysts followed the order: Pt/GA(600)>Pt/GA(400)>Pt/GA(800). 217

İsli metal/metaloit oksitler (örneğin; alümina, titania, silika vb.) kimya endüstrisinden gıda teknolojilerine kadar geniş yelpazede kullanıma sahip önemli hammaddelerdir. İsli silikanın, SiO2, farmasötik katalizör, petrokimyasal parçalama ve biyolojik atıkların yeniden kazanımları için üretilen katalizörlerin uygulamalarında yaygın kullanılmasından dolayı hidrotermal stabilitesi önemli bir etkendir. İsli silika bazlı malzemelerin; geniş yüzey alanına (50 - 400m2/g) ve yüksek por hacmine sahip olmaları kataliz uygulamalarında aktif bölgelerin yüzeyde verimli olarak dağılımına ve büyük moleküllerin difüzyonunun kolaylaşmasına imkân vermektedir. Ancak isli silikanın suya karşı düşük stabilitesinden oluşan yüzey hidrolizi, uygulama alanlarını kısıtlamıştır. Bu yüzden stabiliteyi artırmaya yönelik bu alandaki ArGe çalışmaları yüksek ilgi görmektedir. Silikanın hidrotermal stabilitesini artırmak için tuz katkısı, por duvar kalınlıklarının geliştirilmesi ve silikanın üretim süreci sırasında veya sonrasında yapılan hetero atom eklemeleri dahil olmak üzere birçok farklı metotlar kullanılmıştır. Bu çalışmada, alev hidrolizi yöntemiyle sentezlenmiş isli SiO2 ve kompozitlerinin hidrotermal stabiliteleri araştırılmıştır. Saf isli silika, isli alümina ve farklı yüzdelerde Al2O3 ve TiO2 katkılı ikili isli karışık oksitler, 24 saat ve 7 gün hidrotermal koşullarda işlem görmüştür. Nitrojen adsorpsiyonu kullanılarak bütün numunelerin yüzey alanları Brunauer-Emmett-Teller (BET) metoduyla, por hacmi ve por maximumları ise Barrett-Joyner-Halenda (BJH) metoduyla hesaplanmıştır. Hidrotermal işlemlemlerin sonucunda, BJH por hacim analizi saf alümina için % 98, saf silika için % 75 ve Al2O3 katkılı silica için % 26 düşüş kaydetmiştir. XRD ölçümleri de tüm numunelerin işlem sonrasında amorf yapılarını koruduklarını göstermektedir. BET analizleriyle de hidrotermal uygulamaların, oksitlerin yüzey alanına etkisi ölçülmüştür ve en yüksek fark % 92'lik bir düşüş ile saf alüminanın sonrasında da % 83 ile saf silikanındır. Al2O3 ve TiO2 katkısının SiO2'nın yüzey dayanıklılığını arttırdığı ve yüzey alanındaki küçülme oranını azalttığı gözlemlenmiştir. Bu iyileştirme, katkı miktarı (% 0.8 – % 1.0) ile de doğru orantılıdır. Örneğin silikaya % 1.0'lık Al2O3 veya TiO2 katıldığında yapının daha stabil olduğu ve (BET) yüzey alanının sırasıyla % 31 ve % 26 azaldığı kaydedilmiştir. Katkı etkisini sıralamak gerekirse eğilim şu şekildedir: TiO2-katkılı silika > Al2O3-katkılı silika > saf silika. Titanyumun alüminyumdan ve silisyumdan daha elektropozitif olması bu sebeple de yüzeydeki -OH gruplarındaki elektronlara olan yüksek ilgisi yukarıdaki eğilimi açıklamaktadır. Aynı sebeple, TiO2 katkılı numunelerdeki yüzey –OH grupları suya direnç göstererek yüzey alanının daha korunaklı ve stabil olmasını sağlamıştır. Katkı malzemesinin eklenmesi saf silikaya göre M-O-Si (M = Al, Ti) bağlarını daha da kutuplaştırarak ve güçlendirerek dayanıklı yüzey oluşturur. Silikaya % 0.5'lik yüzey alümina katkısıyla % 1.0'lik yığın katkısı arasında yüzey katkısının daha iyi hidrotermal dayanıklılık gösterdiği görülmüştür, bunun sebebi ise miktarın düşük olmasına rağmen yüzey yoğunluğunun daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır.Bu çalışma sonucunda hidrolitik alev metoduyla sentezlenen Al2O3 ve TiO2 katkılı SiO2 ların yüksek saflığı ve sert hidrotermal koşullardaki dayanıklılığı sebebiyle katalitik uygulamalar alanında gelecek vadeden seçenekler arasında olduğu belirlenmiştir. Fumed metal/metalloid oxides, FMO (such as alumina, titania, silica etc.) are important raw materials for various industrial applications from chemical industries to food technologies. Due to extensive use of fumed SiO2 as a carrier in pharmaceutical applications, catalysis applications, cracking petrochemicals, and conversion for production of bio-renewables, hydrothermal stability is a critical requirement. Fumed silica based materials have high specific surface areas in the range of 50 and 400 m2/g which allows an efficient dispersion of active sites and large pore volume that favours the diffusion of bulky molecules in catalysis applications, however, their applications are limited by their poor stability due to the hydrolysis of their surfaces. Therefore; the research on developing hydrothermally stable mesoporous materials for catalytic applications has gained interest. To improve the hydrothermal stability of SiO2, many different methods are used such as adding salt, increasing pore wall thickness, and incorporating heteroatoms in situ or by post treatments.In the present study, the stability of fumed SiO2 materials and composites produced by flame hydrolysis is investigated under hydrothermal conditions applied for 24 hours and 7 days. Specifically, pure fumed silica, fumed alumina, and binary fumed mixed oxides of Al2O3- and TiO2-doped silica samples with various doping percentages are used for hydrothermal treatment. Surface areas of all untreated and hydrothermally treated samples are calculated by Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis and pore volume & pore maximum are calculated by Barrett-Joyner-Halenda (BJH) analysis by using nitrogen adsorption method. After hydrothermal treatment, BJH pore volume analysis shows decreases of 98 % for pure alumina, 75 % for pure silica and 26 % for Al2O3-doped silica in the pore volumes, respectively. According to powder X-ray Diffraction (XRD) analysis, all of the samples maintained their amorphous structure after the treatment. BET analysis indicates that after hydrothermal treatment, pure alumina and pure silica reveal the highest BET surface area reduction by 92 and 83 %, respectively. On the other hand, incorporation of Al2O3 and TiO2 into the silica matrix enhanced the surface stability and minimize the surface area reduction. Moreover, as doping amount increases (e.g. 0.8 to 1.0 wt %) the surface of the materials becomes more stable. Comparison of 1.0 % Al2O3- and TiO2-doped silica samples shows that incorporation of Al2O3 and TiO2 stabilizes the structure yielding BET surface area reduction by 31% and 26 %, respectively. The trend of surface area stabilization by doping follows the order: TiO2-doped silica > Al2O3-doped silica > pure silica. Titanium is a more electropositive dopant than aluminum and silicon itself and it has a higher affinity to the electrons of surface OH- groups. Therefore, in the TiO2-doped samples, surface OH- groups are resistant to water molecules resulting more stable samples in terms of surface area protection. Furthermore, due to the doping, the M-O-Si (M= Al, Ti) bonds are more polar and stronger than the pure silica case which in turn stabilizes the surface. The comparison of the Al2O3 doping on the surface (0.5 %) and into the bulk (1.0 %) of SiO2 reveals that the former shows an enhanced hydrothermal stability related to the higher concentration of the doping material on the surface.The results of this study shows that flame hydrolytically synthesized Al2O3- and TiO2-doped silica samples are promising materials not only due to their high purity and also due to their use under harsh hydrothermal conditions of catalysis applications. 70

Kanatlar bir yüzeyde akışkanın diğer yüzeyine göre daha yüksek hızda ve alçak basınçta akması prensibi ile iki yüzey arasında basınç farkı yaratarak kaldırma kuvveti oluşturmak amacı ile tasarlanan yapılardır. Bu sayede kaldırma kuvveti elde edilir. Ancak kanatların uç noktaları yüksek basınçtan alçak basınca ikincil bir akışın söz konusu olduğu kanadın performansını olumsuz etkileyen bir girdabı oluşturur. Bu girdabın etkilerinin azaltılıp kanadın performansını arttırmak yüz yıla yakın bir süredir özellikle havacılıkta önemli bir araştırma konusudur. Kanatçık ismi verilen ve kanat uçlarına belli bir açı ile yerleştirilen ek kanat parçalarının tasarımı bu konuda yürütülen araştırmaların büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Tahmin edileceği üzere, bahsi geçen uç girdap sorunu, ayaklı tekne ismi verilen deniz araçlarının altına yerleştirilen ve hava yerine suda işlev gören kanatlar için de geçerlidir. Bu çalışmada basit geometrilere sahip kanatçık yapılarının, her kanatta benzer özellikler gösterecek temel parametrelerinin değişimlerinin, su altında kullanılan bir kanadın verimine olan etkileri incelenmiştir. Bölüm 1 ve 2 de kanatların çalışma prensibi, ayaklı tekneler ve kanatçıklar hakkında genel bilgi ve literatürde yapılan çalışmalar yer almaktadır.Sonuç elde etmek amacı ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılmıştır. HAD analizlerinin yönetici denklemleri, Reynolds ortalaması alınmış Navier Stokes (RANS) temelli nümerik çalışmanın daimi akış için basınç hız-bağıntısı veren ayrıklaştırma yöntemi olan SIMPLE algoritması ve sınır tabaka akış çözümlemesi için seçilen SST k-ω türbülans modeli hakkında detaylı bilgi Bölüm 3 te verilmiştir.Çalışmada temel olarak NACA0012 kesitli, kesit uzunluğu 1 metre, yan oranı 6 olan dikdörtgen kanat kullanılmıştır. Tüm çalışma boyunca temel kanadın hücum açısı 5o de ve Reynolds sayısı 6x106 da sabit tutulmuştur. Analizler için oluşturulan çözüm hacimleri ayna prensibi kullanılarak yarı kanat açıklığı etrafında oluşturulmuştur. Kesitleri NACA0006 olarak seçilen kanatçıkların bahsi geçen temel kanatın uç kısmına eklenmesiyle oluşturulan yeni kanat yapılarının performansları, incelenen her bir parametre için birbirleri ile ve kanatçıksız temel kanat ile karşılaştırılmıştır. Kanatçıklar genel olarak kolay üretilmesi basit bir temel geometri olarak 0.3 sivrilme oranı ile kama kanat olarak ele alınmıştır. Kanat ve kanatçık geometri parametreleri, kullanılan çözüm ağının özelliklerinin detayları ve akışkan özellikleri Bölüm 4 te verilmiştir.Kullanılan HAD çözüm ağı ve yönteminin tutarlılığı ve güvenilirliğini kontrol etmek amacı ile bir geçerleme çalışması yapılmıştır. Geçerleme çalışması üç ayrı bölüme ayrılmıştır. İlk olarak NACA0012 kesiti etrafındaki akışın ve sınır tabakanın modellenmesinin kontrolü amacı ile iki boyutlu geçerleme çalışması, NASA tarafından geliştirilen CFL3D HAD kodunun sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra iki boyutlu olarak yeterli görülen çözüm ağının kanat açıklığı boyunca dağılımının kontrolü için iki buçuk boyutlu olarak adlandırılan sonsuz yan oranlı kanadı temsil eden çözüm ağının geçerlemesi yapılmıştır. En son olarak üç boyutlu çözüm ağının kontrolü iki buçuk boyutlu geçerleme çalışmalarından elde edilen profil sürüklenme kuvveti katsayısı ile kaldırıcı hat metodu ile elde edilen kaldırma kuvveti katsayısı ve indüklenmiş sürüklenme kuvveti katsayısı kullanılarak yapılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışmaları geçerleme çalışmaları ile birlikte yürütülmüş ve 3 boyutlu kanat için seçilmiş nihai çözüm ağı parametreleri kanatçıklı kanatların çözüm ağları oluşturulurken aynen korunmuştur. Ağdan bağımsızlık ve geçerleme çalışmaları ile ilgili detaylı bilgi Bölüm 5 te yer almaktadır.Bölüm 6 da çeşitli kanatçık geometrili kanatların sonuçlarını birbirleri ile ve kanatçıksız kanat ile karşılaştırılmalarının yorumları yer almaktadır. Bu çalışmada incelenen kanatçık geometrisi parametreleri, kanatçık kök kesit uzunluğunun temel kanat kesit uzunluğuna oranı, kanatçık kanat açıklığının temel kanat kesit uzunluğuna oranı, kanatçığın doğrultu yönü ve kanatçık izler kenarının çalıklık açısıdır. Bu parametrelerden ilk ikisi, sırası ile CCR, SCR, DW ve β olarak sembolize edilmiştir. Optimal değerlerinin farklı temel kanatlarda ve farklı akış şartlarında değişiklik gösterebileceğinden dolayı kant-kanatçık bağlantı kısmına ovalleştirme yarıçapı ve kanatçık burulma açısı gibi parametreler incelenmemiştir. İncelenen kanatçıkların sadece indüklenmiş hızlara etkisinin gözlemlenebilmesi amacı ile kanatçığın kendisinin kaldırma kuvvetine katkısı olmaması gerektiği öngörülmüş ve dolayısı ile kanatçık yatıklık açısı 0o olarak sabitlenmiştir. Karşılaştırmalarda kaldırma kuvveti katsayısı (CL), sürüklenme kuvveti katsayısı (CD) ve bu iki değerin birbirine oranı ile elde edilen verim katsayısı (CL/CD) temel alınmıştır. Ancak bunların yanı sıra kanat üzerinde ve iz bölgesinde alınan bazı kesitlerdeki x girdaplılık değerleri, basınç katsayısı dağılımları ve hız vektörleri incelenerek yorum yapılmıştır. İlk olarak CCR oranı 0.5 doğrultu yönü yukarı doğru ve β 0o olarak sabitlenmiştir. İncelenen kanatçıklı kanatlar sırası ile W1, W2 ve W3 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde en verimli kanat %6.19 CL/CD artışı ile W1 olarak belirlenmiştir. W1 kanadı aynı zamanda 3 kanat arasında CL artışı olarak da %10.03 le en yüksek değeri sağlamıştır. CD değerlerinde ise düşüş gözlemlenmemiş ancak en az yükseliş %2.41 oranı ile W3 de gözlemlenmiştir. Bu durum kanatçıkların yüzeylerinin profil sürüklenme kuvvetine katkılarının indüklenmiş sürüklenme kuvvetini azaltma etkilerinde fazla olduğunu göstermektedir. W3 en az yüzey alanına sahip olduğundan CD artışında en az değeri vermektedir. Ancak uç girdabını sönümleme ve ya öteleme bakımından en başarısız kanat olduğundan verim artışında en düşük değere sahip olduğu saptanmıştır. İncelenen 3 farklı CCR değerli kanat yapısı içinden en verimlisinin CCR değeri 1 olan olduğu saptanmıştır.İkincil olarak SCR parametresi üç farklı değerde 0.5, 0.75, 1 olarak incelenmiş ve diğer parametreler W1 in parametreleri ile aynı değerde sabit tutulmuştur. Dolayısı ile iki yeni kanatçıklı kanadın analizi yapılmış ve bu kanatlar SCR değerleri 0.75 ve 1 olmak üzere sırası ile W4 ve W5 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde en verimli kanat, %6.44 CL/CD artışı ile W4 olarak belirlenmiştir. W4 kanadı, kanatçıksız kanada göre CL de %12.22 artış ve CD de %5.42 artış sergilemiştir. W5 kanadı %13 ile en yüksek CL artışını sağlamış ancak aynı zamanda CD artışında da %7.23 ile en yüksek değeri göstermiştir ve CL/CD değerinde %5.38 ile W4 ten daha başarısız bir performans sergilemiştir. Elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak, SCR oranının verime etkisinin parabolik bir yapıya sahip olduğu gözlemlenmiştir. Yani, kanatçık açıklığının artışı bir optimal değerden sonra verimi olumsuz etkilemektedir. Bunun sebebi bu optimal değerden sonra kanatçığın uç girdabın etkisini sönümleme oranının, kanatçığın artan yüzey alanının sürüklenme kuvvetini arttırma oranına göre düşük kalmasıdır. Bu çalışmada En uygun SCR oranı 0.75 olarak bulunmuş olsa da bu değer farklı kanatlarda ve farklı akış parametrelerinde değişiklik gösterebilir. Dolayısı ile belirli bir kanat için kanatçık tasarımı yapılırken bu optimal oran detaylı bir SCR oranı incelenmesiyle belirlenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.Bir sonraki parametre olan kanatçık doğrultu yönü, toplamda üç farklı şekilde, yukarı, aşağı ve her iki tarafa da olmak üzere incelenmiştir. Diğer parametreler W4 kanadı ile aynı olmak koşuluyla aşağı doğru yönlendirilmiş ve her iki tarafa da yönlendirilmiş kanatçıklı kanatlar, sırası ile W6 ve W7 olarak kodlanmış ve analiz edilmiş ve sırası ile W6 ve W7 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde W6 kanadı incelenen tüm kanatçıklı kanatlar arasında en az verim (CL/CD) artışını sağlayan kanat olmuştur. Ancak, kanatçıksız kanada göre CD artışına sebebiyet vermemesiyle önemli bir özelliğe sahiptir. Bu özellik bir ayaklı teknede hali hazırda var olan kanada direkt olarak uygulanabilmesidir. Diğer kanatçıklar böyle bir durumda ayaklı teknenin daha fazla kaldırma kuvvetine ihtiyaç duymayacağı azami süratte seyir ederken fazladan sürüklenme kuvveti üreterek teknenin genel direncin artmasına ve hız kaybetmesine neden olacaktır. W6 ise azami sürat seyrinde bir kayba neden olmayacak bunun yanı sıra az da olsa kanat verimini arttırdığından, yani aynı sürüklenme kuvvetine karşılık daha çok kaldırma kuvveti üreteceğinden teknenin gövde seyrinden kanat seyrine geçiş hızını düşüreceği öngörülmüştür. W4 avantajının kullanılabilmesi için ise var olan kanat sökülerek, var olan kanatla aynı sürüklenme değerini verecek ancak verimi daha yüksek olduğu için daha fazla kaldırma kuvveti üretmesi, boyut olarak daha küçük ve ya hücum açısı daha küçük olan bir kanat kullanılmalıdır. Bu durumda gövde seyrinden kanat seyrine geçiş hızını W6 nın düşürdüğünden daha fazla düşüreceği öngörülmüştür. Farklı bir kanat tasarımı ile yine W4 kanatçıklı bir kanatın var olan kanatla değiştirilmesi ile kaldırma kuvveti katsayısı sabit tutularak direncin düşmesi sağlanıp, kavitasyon ve akım ayrılması olmaması koşulunda teknenin azami hızı arttırılabileceği öngörülmüştür. Diğer bir deyişle, W6 nın avantajı, daha düşük bir yatırım maliyeti ile tekne veriminin diğer kanatçıklara nazaran daha az olsa da arttırılabilme kapasitesidir. W7 kanadı ise temel kanatla karşılaştırıldığında %13.55 değerinde CL artışı ile W4 kanadından daha çok kaldırma kuvveti sağlamaktadır. Ancak CD de W4 kanadından %7.83 değeri ile daha çok artışa neden olmaktadır. Bu değerler neticesinde de CL/CD oranında W4 ün gerisinde kalarak %5.28 artış sağlayabildiği gözlemlenmiştir. Bu durum W4 kanadı ile W5 kanadının karşılaştırmasına benzer şekilde W7 kanadının da uç girdabın etkilerini daha iyi sönümlemesine rağmen geniş yüzey alanının sebep olduğu yüksek profil sürüklenme kuvvetinin CL/CD oranını olumsuz etkilediği sonucuna varılmıştır.Son parametre olarak kanatçık izler kenarının çalıklık açısı β, 0o ve 15o olarak incelenmiştir. W4 ile karşılaştırılmak üzere, W8 olarak kodlanan β=15o olan ve diğer parametreleri W4 ile aynı olan kanatçıklı kanadın analizleri yapılmıştır. Analizler sonucunda W8 kanadının temel kanada göre sağladığı %11.93 CL artışı, W4 kanadının gerisinde kalmıştır. Ancak sergilediği %6.78 CL/CD artışı W4 kanadından i sadece %0.03 daha fazladır. Bu değer geçerleme çalışmalarında belirtilmiş olan hata oranı göz önüne alınırsa geçersiz sayılabilecek kadar küçüktür. Bu iki kanadın iz dağılımları ve basınç katsayısı dağılımları incelendiğinde, W8 kanadının daha az kavitasyon riskine sahip olması gibi bir avantajı olmasına rağmen daha bozuk bir iz dağılımına neden olması ve üretim bakımından daha karmaşık bir yapısı olması, W4 kanadına göre tercih edilebilmesini tartışmaya açık bırakmıştır. In this study, the effects of variations of the basic parameters of winglets, which have similar characteristics in each wing, on the efficiency of a wing underwater are examined. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to obtain the result. The executive equations of the CFD analyzes were used with the SIMPLE algorithm, which is a decompression method that gives a pressure rate-dependence for the continuous flow of a Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) based numerical study, and the SST k-ω turbulence model chosen for boundary layer flow analysis.In the study, a rectangular wing with a cross section of NACA0012, a section length of 1 meter and a side ratio of 6 was used. During the entire study, the attack angle of the main wing was kept constant at 5o and the Reynolds number at 6x106. The solution volumes created for the analyzes were created around the half-wing opening using the mirror principle. The performance of the new wing structures formed by attaching the selected blades NACA0006 onto the tip of the bare wing were compared with each other and with the bare wing for each parameter examined. The wings are generally regarded as simple wedges with a taper ratio of 0.3 as a simple basic geometry.A validation study has been conducted with the aim of checking the consistency and reliability of the CFD solution mesh and method used. The independence studies of the grids were carried out together with the validation studies and the final solution grid parameters selected for the 3D wing were preserved while the solution meshes of the wingleted wings were constructed.The winglet geometry parameters examined in this study are the ratio of the winglet root section length to the base wing section length, the ratio of the winglet span to the base wing section length, the direction of the winglet, and the angle of the winglet trailing edge. These parameters are symbolized as CCR, SCR, DW and β, respectively. Parameters such as the radius of junction and the cant angle are not investigated since the optimal values may vary in different basic wings and in different flow conditions. It was predicted that the effect of the examined winglets only on the induced speeds should not be attributed to the lift force of the whole wing itself and therefore the slope of the bladder was fixed at 0 °. Firstly, the CCR ratio was fixed upwards at a direction of 0.5 and at β 0o. The flapping wings examined are labeled W1, W2 and W3 respectively. As a result of analysis, the most efficient wing was determined as W1 with 6.19% CL / CD increase. The W1 wing also provided the highest value of 10.03 per cent as a CL increase between 3 wings. No decline was observed in CD values, but W3 was observed with a minimum increase of 2.41%. This shows that the winglets are not effective enough in reducing the induced drag force than the contributions to the profile drag force. W3 has the least surface area and gives the least value in CD increase. However, it has been found that the tip has the lowest value in yield increase since it is the most unsuccessful wing in terms of damping or deformation.Secondarily, the SCR parameter was examined at three different values of 0.5, 0.75, 1 and the other parameters were kept constant at the same value as the parameters of W1. Therefore, two new wingleted wing analyzes were performed and these wings were coded as W4 and W5, respectively, with SCR values 0.75 and 1, respectively. As a result of analysis, the most efficient wing was determined as W4 with 6.44% CL / CD increase. W4 wing increased 12.22% in CL and 5.42% in CD compared to wingless wing. The W5 wing achieved the highest CL increase by 13%, but at the same time it had the highest value of 7.23% in the CD increase, and performed a more unsuccessful performance than the W4 with a CL / CD value of 5.38%. In view of the results obtained, it has been observed that the liquefaction effect of the SCR ratio has a parabolic structure. Although the optimal SCR rate for this study was found to be 0.75, this value may vary in different wings and in different flow parameters.The next parameter, the direction of the fin direction, has been investigated in three different ways, up, down and on both sides in total. The other parameters are the same as W4 wing and the wingleted wings directed downwards and oriented to both sides are coded and analyzed and coded as W6 and W7 respectively. As a result of the analysis, the W6 was the wing which provided the least efficiency (CL / CD) increase among all wingleted wings examined. However, it has an important feature that it does not cause CD increase compared to the bare wing. This feature can be applied directly on the existing wing on a hydrofoil boat. In other cases, the other winglets will cause the wing to increase the overall resistance and slow down the vessel by producing extra drift while traveling at maximum speed where the vessel does not need more lifting force. W6 is predicted not to cause a loss in the course of maximum speed but also to decrease the speed of the vessel to go from the hullborne to the foilborne cruise because it will increase the wing efficiency, that is to say, it will produce more lifting force than the same drag force. In order to use the W4 advantage, a wing that is smaller in size and smaller in attack angle should be used, by removing the existing wing, producing the same drift value as the existing wing but producing more lift because the efficiency is higher. In this case, it is predicted that the speed needed to switch from hullborne to foilborne will decrease more than that of the W6. With a different wing design, it is predicted that by replacing the wing with a wing that has a winglet, it is possible to keep the coefficient of lift force constant and to increase the maximum speed of the craft by reducing the resistance. In other words, the advantage of W6 is the ability to increase boat efficiency with a lower investment cost, although it is less efficient than other winglets. The W7 wing provides greater lift than the W4 wing with a CL increase of 13.55% compared to the base wing. However, the CD also caused a further increase of 7.83% from the W4 wing. As a result of these values, it was observed that CL / CD ratio could be increased by 5.28% behind W4. Similar to the comparison of the W4 wing with the W5 wing, this results in a high profile drift force, which is caused by the large surface area, negatively affects the CL / CD ratio, although the W7 wing also damps the induced velocities more effectively.As a final parameter, the sweep angle β, 0o and 15o of the trailing edge are examined. In comparison with W4, the analysis of the winglet which has β = 15o coded as W8 and the same as the other parameters W4 has been carried out. As a result of the analysis, the increase of 11.93% CL, which the W8 wing provided in accordance with the bare wing, lagged behind the W4 wing. However, the exhibited 6.78% CL / CD increase is only 0.03% higher than the W4. When the distributions of the wake of these two wings and the distribution of pressure coefficients are examined, it is left open to debate whether the W8 wing has the advantage of having a lower risk of cavitation, but with a more distorted wake distribution and a more complex structure in terms of production. 121

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016, Gürültü, günümüzde yapılan mühendislik uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Özellikle savunma sanayiinde kullanılan araçların tanınabilirlik açısından düşük gürültü seviyelerine sahip olması bir gereklilik haline gelmiştir. Son yıllarda akış kaynaklı gürültü ve titreşim konularında yapılan çalışmalar bir hayli artmıştır. Fakat özellikle akış kaynaklı gürültü tahmini çalışmalarında kullanılan denklemlerin lineer olmayan davranışları yapılan hesaplamaları zorlaştırmakta, hesaplama gücü kaynaklarına olan gereksinimi artırmaktadır. Aeroakustik, akış tarafından ortaya çıkan gürültüyü inceleyen bilim dalıdır. Akış kaynaklı gürültü ile ilgili yapılan ilk çalışmalar Strouhal tarafından silindir etrafında akışkanın etkisi ile oluşan tonların incelenmesi ile başlamıştır. Hesaplamalı aeroakustik alanındaki ilk çalışmalar ise Lightill tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada izler kenara uygulanan çentiklerin akış kaynaklı gürültüyü ne şekilde etkilediğini inceleme amaçlı çalışmalara yer verilmiştir. NACA 0012 kanat profili etrafında oluşan akış kaynaklı gürültü sayısal yöntemler ile hesaplanmış, profilin izler kenarına eklenen çentik geometrilerinin bu gürültüyü ne şekilde etkilediği incelenmiştir. Profil üzerindeki basınç değişimleri Navier-Stokes denklemlerinin hesaplamalı olarak çözülmesi ile elde edilmiş, denklemleri ayrıklaştırma yöntemi olarak Sonlu Hacimler Yöntemi (Finite Volume Method) kullanılmıştır. Aynı zamanda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacim metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modelinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Akustik hesaplamalar ise Ffowcs Williams ve Hawkings (FW-H) denklemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ilk olarak kullanılan HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yönteminin geçerliliği incelenmiştir. Bu sebeple NASA tarafından NACA 0012 profili üzerine gerçekleştirilen deneylere başvurulmuştur. 6x106 Reynolds sayısı ve 0.15 Mach sayısında gerçekleştirilen deneylerin verileri, HAD yöntemi ile gerçekleştirilen analizlerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 0, 10 ve 15 derece hücum açılarında gerçekleştirilen analizlerin sonuçları incelendiğinde kaldırma kuvveti katsayılarında maksimum %5.4 hata ile deney sonuçlarına uyum sağlandığı gözlemlenmiştir. Ayrıca belirtilen hücum açılarında basınç katsayılarının da karşılaştırması gerçekleştirilmiş ve bu katsayıların da deney sonuçları ile neredeyse tamamen uyduğu görülmüştür. Daha sonra alınan sonuçların ağ yapısından bağımsızlığının sağlanabilmesi için farklı hücre sayılarında üç adet model hazırlanmış ve kaldırma kuvveti katsayısındaki değişimin azalma derecesi ihmal edilebilir seviyelere geldiği ağ yapısı analizlerde kullanılmak üzere seçilmiştir. Çalışmalarda profil üzerinde oluşan sınır tabakanın daha iyi çözümlenebilmesi için boyutsuz y+ değeri 1 olarak alınmıştır. HAD yönteminin geçerliliği sağlandıktan sonra HAA (Hesaplamalı Aeroakustik) yönteminin geçerliliğinin incelenmesine geçilmiştir. Bu bölümde de NASA tarafından NACA 0012 profili üzerine gerçekleştirdiği akustik deneylere başvurulmuştur. 7.3 derece hücum açısı, 0.208 Mach sayısı ve 1.13x106 Reynolds sayısında yapılan deney için aynı şartlarda hazırlanan hesaplamalı analiz gerçekleştirilmiş, gürültünün frekans spektrumunda tepe noktasına geldiği frekans 13 Hz fark ile, SPL (Sound Pressure Level) değeri ise 7 dB fark ile hesaplanmış ve yöntemin geçerliliği sağlanmıştır. Ayrıca hesaplamalarda kullanılan URANS (Unsteady Reynonds Averaged Navier Stokes) yönteminin LES (Large Eddy Simulation) yönteminden farkını ortaya koymak adına LES ile bir analiz gerçekleştirilmiş ve sonucunda bu yöntemin yüksek frekanslardaki salınımları daha başarılı hesaplayabildiği fakat gürültünün tepe noktasının frekansını yakalamakta başarısız olduğu gözlemlenmiştir. Akustik yöntemin geçerliliği sağlandıktan sonra çentik uygulamalarına geçilmiştir. Çalışmada kullanılan çentik geometrileri çentikler arası mesafe (λ), çentik yüksekliği (h) ve λ/h oranı olarak üç parametreye bağlanmış ve 7 farklı çentik geometrisi oluşturulmuştur. Analizler sonrasında alınan sonuçlar incelendiğinde λ ve h parametrelerinin tepe SPL (Sound Pressure Level) ve OASPL (Overall Sound Pressure Level) değerlerine etkisinde düzenli bir trend olmadığı fakat λ/h oranının bu değerleri belirli bir trendde etkilediği gözlemlenmiştir. Fakat bu duruma uymayan istisna vakaların da görüldüğü belirtilmelidir. λ/h oranı 2.56 olan S7 vakasının gürültü seviyesi profil etrafına yerleştirilen M1, M2 ve M3 mikrofonlarında çentik içermeyen referans profile göre daha düşük hesaplanmış ve OASPL ve tepe SPL değerlerinin ortalama 4 dB düştüğü gözlemlenmiştir. Bu durum M4 ve M5 mikrofonlarında geçerli olmamış, bu durumun sebebi de söz konusu mikrofonların profilin iz bölgesinde bulunmasından dolayı ortaya çıkan salınımların kararlı olamamasından kaynaklandığı kanısına varılmıştır. Mikrofonların frekans spektrumları incelendiğinde tepe SPL ve OASPL değerleri arasında uyum olduğu, bu durumun sebebinin de tepe SPL değerinin frekans spektrumunu domine etmesi olduğu sonucuna varılmıştır. Frekans spektrumları detaylı olarak incelendiğinde 1300 Hz civarında ortaya çıkan tepe SPL değerinin yanı sıra 2700 Hz civarında ikincil ve daha sönük bir tepeye rastlanmıştır. Yaklaşık 40 dB gürültü seviyesine sahip bu ikincil tepe λ/h = 2.56 olan S7 vakasında sönümlenerek yok olduğu gözlemlenmiştir. Gürültü seviyelerindeki değişimlerin etkisinin daha iyi anlaşılabilmesi amacı ile vakaların TLS (Turbulence Length Scale) ve girdaplılık dağılımları da incelenmiştir. Ortaya çıkan λ/h trendinde istisna olarak görülen, λ/h değerleri aynı ve 1.28 olan S2 ve S4 vakaları arasındaki 6 dB’lik farkın sebebinin, gürültü seviyesi yüksek olan S2 vakasındaki TLS değerlerinin S4 vakasına göre daha yüksek olmasından kaynaklandığı anlaşılmıştır. Aynı zamanda λ/h = 0.32 ve 2.56 olan S6 ve S7 vakalarının girdaplılık dağılımları incelendiğinde, gürültü seviyesi en düşük olan S7 vakasının çentik yakınlarında girdaplılık değerlerinin 170,000 olduğu görülürken diğer vakada çentiklerin daha geniş bir alanına yayılarak 200,000 seviyelerine ulaştığı görülmüştür. Alınan bu sonuçlar TLS ve girdaplılık dağılımlarının gürültü seviyelerine etkisinin uyumlu olduğunu göstermiştir., In most of the engineering applications, noise is considered as an important factor. Especially in defense industry, it is necessary for the veichle (ship, submarine, plane etc.) to have decreased sound characteristics in order to decrease the chance of getting identified-located. Therefore, the recent number of researches about flow generated noise and vibration has increased drastically. However, the non linear characteristics of the equations used especially in flow generated noise prediction complicates the computations and requires tremendous amounts of computational resources. Aeroacoustics field investigates the flow generated noise. The very first work considering flow generated noise is done by Strouhal about investigating the tones created by flow aroud cylinder. The first work about Computational Aeroacoustics is made by Lighthill. Following CAA studies are based on Lighthill’s work. In this thesis, the Ffowcs Williams and Hawkings method which is also based on Lighthill’s work is used for CAA calculations. Idea of the serrations were first suggested by Arndt and Nagel. They investigated the leading edge serrations on airfoils to reduce the flow generated noise. It was observed that while these serrations reduced the noise levels, the aerodynamic characteristics of the airfoil was affected and lift coefficients were reduced. Howe was the first to suggest trailing edge serrations which did not reduce these aerodynamic characteristics. The serration parameters used in this work are based on Howe’s calculations. In this thesis, the effects of trailing edge serrations on the flow generated noise of an airfoil is investigated. Flow generated noise around NACA 0012 airfoil is calculated with numerical and analytical methods and effects of the serrations that has beed added to the trailing edge are observed. The pressure fluctiations on the airfoil surface are obtained via solving the Navier-Stokes equations using computational methods. Discretisation of the equations are made with Finite Volume Methods. Also the details of the Finite Volume Method, SIMPLE algorithm used in discretisation of pressure and velocity and the turbulence model SST k-ω are mentioned in section two. The acoustic calculations are made via Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equations. In this work, the validity of the CFD (Computational Fluid Dynamics) method is inspected at first. For this reason, the aerodynamic experiments of NACA 0012 by NASA are reffered. The results of the experiments that has been done with Reynolds number of 6x106 and Mach number of 0.15 are compared with the CFD results of this work at the same conditions. The results that has been obtained on 0, 10 and 15 degrees of angles of attack and checked the lift coefficients of each case. Maximum difference with the expermental lift coefficients was about %5.4 so the validity of the CFD method was ensured. Moreover, the pressure coefficients obtained from experiments are also compared with CFD results and it was almost an exact match. A mesh independency study was also carried out with creating three different mehes with varying cell counts systematically. The mesh with negligible difference in lift coefficient from its predecessor is chosen to conduct the rest of the analyses. The dimensionless y+ value of 1 was chosen for all of the cases. After ensuring the validity of the CFD method, the validity of the CAA (Computational Aeroacoustics) method was investigated. The NASA acoustic experiments on NACA 0012 profile were also used in this section. Time step is chosen as 1x10-5 to be able to resolve the frequencies of 50 kHz. Solution time is chosen as 0.02 seconds so that the frequencies as low as 1 kHz can be resolved. At 7.3 degrees of angle of attack, 0.208 Mach number and 1.13x106 Reynolds numbers, it was observed that the peak of the SPL-frequency graph was only 13 Hz different from the experiments. Also, the peak of the SPL magnitude was only 7 dB off from the experimental data. Thus the validity of the CAA method was ensured. Furthermore, a case with LES (Large Eddy Simulation) method was carried out to see the difference from URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes) method and it was observed that the LES method was more succesful on calculating the high frequencies but less succesful on predicting the peak frequency of the SPL values. The reason LES is able to calculate more accurately on higher frequencies is that it can resolve eddies as small as the mesh size thus the effect of those eddies are calculated and added to the pressure fluctuations. However, the mesh size requirements were not met in our case and accuracy of the LES results was unreliable. After ensuring the validity of the CFD and CAA methods, the serrations were applied. The serration geometries that has been used in this work was linked to three parametrs which are wave length (λ), serration height (h) and the ratio of λ/h. Seven different serration geometries were created for the analyses. The boundary and initial conditions were same as the CAA validation case. Five different virtual microphones were placed around the airfoil with varying locations. After the analyses, the results were obtained. It was determined that λ and h parameters did not create a trend in reducing the peak SPL and OASPL (Overall Sound Pressure Level) but the λ/h ratio did create a trend in this matter with some exceptions. The case named S7 with λ/h=2.56 (which is highest) has reduced the peak SPL and OASPL values about 4 dB from the reference case with no serrations on microphones M1, M2 and M3. However, the michrophones M4 and M5 did not show the same results since they were placed on the wake field of the profile in computational domain meaning to accuratley calculate the fluctiations on those locations were impossible for the calculation times used in this analyses. When the frequency spectra of the microphones are examined, it was observed that the peak SPL and OASPL values of the cases were compatible meaning the peak SPL of the spectra dominates the spectrum with high energies in low frequencies. When the spectra is examined with more detail, an additional peak at 2700 Hz to the peak at 1300 Hz was observed with SPL value of about 40 to 50 dB. It was observed that on the S7 case with λ/h=2.56, this secondary peak was diminished and absorbed. To examine the differences on noise levels in a more detailed manner, the TLS (Turbulence Length Scale) and vorticity distributions of the cases were investigated. The exceptions of the λ/h trend are examined at first. When the TLS distrubution of the cases with same λ/h=1.28 values (S2 and S4) were checked, it was determined that the 6 dB difference in noise levels was occured due to TLS levels being higher on the case with higher SPL value. Also the vorticity distrubutions of the cases S6 (λ/h=0.32) and S7 (λ/h=2.56) were investigated and it was observed that the case with lower noise level (S7) had about vorticity of 170,000 around the serrations and the case with higher noise levels had 200,000. It was concluded that the vorticity and TLS are in sync regarding the noise levels. Another comparison was between two cases with same λ=1.6 mm and different h. The case with h=2.5 mm (S4) had higher noise levels compared to the case with h=1.25 mm (S7). When vorticity and TLS distrubutions of these cases examined, it was obvious that the case with higher noise levels (S4) had higher TLS and vorticity., Yüksek Lisans, M.Sc.

Son yüzyılda iklim değişikliği en büyük çevre problemlerden biri haline gelmiştir. Zararlı gaz salınımları bu değişikliğin en önemli kaynaklarından birini temsil etmektedir. Salınımların en aza indirilmesi için birçok uluslararası kuruluşlar değişik düzenlemeler yapmıştır. Bir denizcilik kuruluşu olan IMO (International Maritime Organization), EEDI (Energy Efficiency Design Index) parametresiyle gemiler için bu salınımları kontrol altına almayı amaçlamaktadır. Gemiler bu parametreyi sağlamak için yakıt tüketimini azaltmakta veya kalitesini arttırmaktadır. Tasarımcılar geminin hidrodinamik performansını arttırarak aynı servis hızına daha az enerji dolayısıyla daha az yakıt miktarı ile ulaşmak istemektedir. Buradaki asıl amaç hidrodinamik performansı arttırarak yakıt tüketimini azaltılması yönündedir. Hidrodinamik performansının artması kısaca, daha az makine gücü kullanarak aynı servis hızı ile geminin sevk edilmesi olarak tanımlanabilir. Bu tanım doğrultusunda hidrodinamik performans, boyutsuz genel sevk verimi katsayısı ile ilişkilendirilebilir. Bu parametre aynı zamanda gemi dizayn halkasının en başından itibaren önemli bir yer tutmaktadır. Gerek deneye gerek ise hesaplamalı çalışmalarda gemi-pervane arasındaki etkileşim göz önünde bulundurularak bu katsayının hesabı yapılmaktadır. Gemi ile pervane geometrisinin ve gemi formu ile pervane arasındaki açıklığın etkileşim üzerinde önemli bir yeri vardır. Bu kapsamda gemi geometrisinin değişimini ve farklı pervane konumlarının genel sevk verimine olan etkisi üzere çalışmalar yapılmıştır. İlk olarak Bölüm 1'de literatürde gemi pervane etkileşimi ile farklı form ve pervane konumlarının etkisi hakkında yapılan çalışmalar özetlenmiştir.Tez kapsamında yapılan tüm çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Bu doğrultuda Bölüm 2'de HAD yöntemleri ve HAD yöntemlerinde kullanılan parametreler hakkında bilgi verilmiştir. Aynı zamanda bu bölümde; Reynolds Ortalaması Alınmış Navier Stokes (RANS) temeline dayanan SST k-ω türbülans modeli ve basınç hız arasındaki bağıntıyı veren SIMPLE algoritması hakkında detaylı bilgiler verilmiştir.HAD çalışmalarının sağlıklı olarak yürütülebilmesi için kullanılan teknik ve yöntemlerin deneysel verilerle geçerlenmesine ihtiyaç vardır. Bölüm 3'te HAD teknik ve yöntemlerin geçerlemeleri yer almaktadır. Geçerleme çalışmaları MOERI (Maritime and Ocean Engineering Research Institute) tarafından geliştirilen U kıç formlu KVLCC2 (KRISO - Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering -Very Large Crude Carrier) gemisi kullanılarak yapılmıştır. KVLCC2 gemisinin geçerleme çalışmaları, çift model yaklaşımıyla sonsuz derinlik kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırması sonucu elde edilen deneysel veriler ile yapılan HAD çalışmalarından elde edilen veriler karşılaştırılarak geçerleme işlemleri tamamlanmıştır. KVLCC2 formu ile ilgili yapılan tüm analizlerde tüm serbestlik dereceleri ihmal edilerek trim ve batma değerleri hesaba katılmamıştır. Geçerleme çalışmasının akabinde HAD ile elde boyutsuz eksenel hız değeri, limit akım hatları, türbülans kinetik enerjisi ve spesifik dispasyon oranı konturları deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. KVLCC2 geometrisi çift model (ÇM) analizine ait oluşturulan ağ örgüleri için belirsizlik çalışması yürütülerek, GCI değeri elde edilmiştir.Gemi-pervane etkileşimi analizlerinde kullanılmak üzere MOERI tarafından KVLCC2 dolgun formlu geometrisi için dizayn edilen KP458 (MOERI) pervanesi kullanılmış ve açık su karakteristiği değerleri hesaplanmıştır. KVLCC2' gemi geometrisinde olduğu gibi KP458 pervanesi içinde Bölüm 3'de anlatıldığı şekilde geçerleme çalışmaları yapılmıştır. HAD çalışmalarından elde edilen itme ve moment değerleri boyutsuzlaştırılarak deney verileri ile karşılaştırarak geçerleme çalışmaları yapılmıştır. KP458 pervanesine açık su analizine ait oluşturulan ağ örgüleri için belirsizlik çalışması yürütülerek, GCI değeri elde edilmiştir.Bölüm 3.3'de tezin amacı doğrultusunda KVLCC2 (ana form) geometrisinden yola çıkarak oluşturulan varyasyon geometrilerden bahsedilmektedir. Ana formdan yola çıkarak kıç bölgesinin yaklaşık % 25'lik kısmında gerekli modifikasyonlar yapılmıştır. Bu işlem, kıç bölgesindeki seçilmiş en kesit eğrilerinin paralel olarak baş ve kıç tarafa doğru α=Αx/LBP= 1.812×10-3 birim kaydırılması şeklinde gerçekleştirilmiştir. Baş tarafa doğru kaydırılması sonucunda oluşan Varyason-1 (Var-1) formu, kıça doğru kaydırılması sonucunda ise Varyasyon-2 (Var-2) formu ortaya çıkmıştır. Modifikasyonlar geminin ana değerleri (LBP, B, T) sabit tutularak gerçekleştirilmiştir. Oluşan yeni formların tekne katsayısı, ıslak alan, su altı hacmi ve LCB değerlerindeki değişim ile en kesit alanları eğrisindeki değişim incelenmiştir. Islak alan değerindeki değişim Var-1 % 0.145 oranında azalma iken Var-2 için % 0.12 oranında artış olarak gerçekleşmiştir. Oluşturulan yeni formlarda LCB'nin konumu da değişmiştir. Ana form için LCB (%) 3.48 (başa doğru) iken Var-1'de 3.474 değerini Var-2'de ise 3.485 değerine sahip olduğu görülmüştür. Bu süreç içinde su hatların ve varyasyonlar için oluşturulan yüzeylerin mümkün olduğunca düzgün olmasına dikkat edilmiştir. Var-1 ve Var-2 için çift model analizi yapılmış olup toplam direnç katsayısı ve form faktörü değerleri ana form ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda ana forma oranla Var-1 formunda % 0.8, Var-2 formunda ise %1.6'lik bir artış meydana geldiği görülmüştür. Sayısal değerlendirmeye ek olarak Bölüm 3.3'te bu üç form basınç ve limit akım hatları yönünden karşılaştırma yapılarak toplam dirençteki artışının sebebi yorumlanmıştır. Bölüm 3.3.3'te pervanenin eksenel konumunun genel sevk verimi üstündeki etkisi görmek amacıyla oluşturulan gemi-pervane kombinasyonları hakkında bilgiler içermektedir. Yapılan çalışma kapsamında ana form dahil olmak üzere üç adet gemi formuyla beş farklı gemi-pervane vakası tasarlanmıştır. Eksenel konum değişimi, gemi formunun değişim miktarı, α=Αx/LBP= 1.812×10-3, referans alınarak yapılmıştır. Bunun sebebi ise aynı formlar arasında, pervane konumunun etkisini sağlıklı şekilde incelenmesidir. Bu doğrultuda, ana form ile pervane ana konumda olan Vaka-1, Var-1 ile pervane h miktarı kadar geri (başa doğru) konumda olan Vaka-2, Var-2 ile pervane h miktarı kadar ileri (kıça doğru) konumda olan Vaka-3, Var-1 ile pervane ana konumda olan Vaka-4 son olarak ise ana form ile pervane h miktarı kadar ileri (kıça doğru) konumda olan Vaka-5 şeklinde belirlenmiştir. Bölüm 3.4'te gemi-pervane etkileşim analizi için oluşturulan çözüm bölgesi ve parametrelerine değinilmiştir. Ek olarak genel sevk verimi başta olmak üzere sevk veriminin diğer bileşenleri, oluşturulan beş form için karşılaştırılmalı olarak listelenmiştir. Etkileşim analizi, değişken yük yöntemi izlenerek gerçekleştirilmiştir Değişken yük yöntemi, sabit ilerleme hızında iken pervane devir sayısının değiştirilmesi olarak tarif edilmektedir. Sevk verimi hesabı, ölçekli modelin öz sevk noktasında iken, gemi ile pervane arasındaki denge durumu, ΑS=RS-TB=0, yapılmaktadır. Bundan dolayı öz sevk noktasının belirlenmesi etkileşim analizindeki ilk adımı oluşturmakta olup bu çalışma kapsamında interpolasyonlu hesaplama yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde üç adet ilerleme katsayında (J) etkileşim analizi yapılmaktadır sonraki adımda ise J ve ΑS arasında ikinci dereceden bir eğri uydurularak ΑS=0 olduğu noktadaki J değeri yaklaşık öz sevk noktası (JS) olarak belirlenir. Uydurulan bu eğri ile genel sevk verimi ve diğer parametreler JS için hesaplanmıştır. Tüm vakalar için JS değeri çok yakın olmasına rağmen diğer parametreler arasında gözle görülür farklıklar olduğu görülmüştür. Sonuçlar irdelendiğinde pervane ile gemi arasındaki açıklığın rölatif olarak sabit kaldığı, sadece kıç formların etkisinin gözlemlendiği Vaka-1, Vaka-2 ve Vaka-3 arasında genel sevk verimi açısından %1.5 gibi küçük miktarda farklılıklar görülmüştür. Fakat Vaka-1 ile Vaka-5 ve Vaka-2 ile Vaka-4 gibi örnekler ise form sabit iken pervane ile gemi arasındaki açıklığın artması ile sevk veriminin yaklaşık %4 miktarda arttığı saptanmıştır. Bu miktarlarda yapılan form değişikliğinin sevk verimi üstünde pervane konumunun değişmesi kadar etkili olmadığı, pervane konumlarının sevk verimi üstünde daha baskın parametre olduğu ortaya çıkmıştır. Bu sonuçlar ile oluşturulan beş adet gemi-pervane sisteminde Vaka-4 en iyi gemi-pervane kombinasyonu olduğu görülmüştür. In the last century, the public has begun to consider global warming and climate change phenomena, more than ever, with the increasing awareness and major changes which could be seen as proof. Yet, on the background of these phenomena's there was only one human made reason which is emission of hazard gases. Onwards, several international agencies whom could take precautions on emissions of hazard gases or the countries who dealed on a agreement had stepped toward control and management of emissions. An international organization, which is IMO (International Maritime Organization) , has imposed EEDI (Energy Efficiency Design Index) to manage emissions derived from marine based sources. As a result, the marine vessels had to manage their fuel consumption, so that the EEDI parameter would be acceptable. Hence, it can be seen that the easiest way to decrease fuel consumption is either by decreasing service speed or achieving a better hydrodynamic performance, thus the ship-owners had requested in new designs to maintain service speed and improvision of hydrodynamic performance.To define hydrodynamic performance, it may be related with dimensionless propulsion efficiency. This parameter, on the other hand,has taken an important role in design circle of a ship since the 1st cycle which is the initial design. This parameter is evaluated through consideration of the interaction between the propeller and the ship's hull via experiments, or computational disciplines. Additionally, the interaction is also affected by the hull form, propeller geometry also the axial distance between propeller and hull. In this perspective, the studies have been conducted on effect of the changes in the hull form and position of the propeller. First of all, in the section 1 the studies on variated hull form and position of the geometry from the literature has been presented.In the thesis, all studies have been conducted via utilization of Computational Fluid Dynamics (CFD). In accordance with this objective, the section two presents the CFD methods, as well as the parameters have been used in these. Additionally, in this section, Reynolds' Averaged Navier Stokes based SST k-w turbulence model and the SIMPLE algorithm which is relating the velocity and pressure has been explained in details. In order to use CFD applications on this problem, the methods which has been used should be verified via experimental data. In Section three the verification cases of utilized CFD methods has been stated. The verification cases consist analysis of a U aft profiled KVLCC2 (KRISO- now MOERI – Very Large Crude Carrier 2) ship which has been developed by MOERI (Maritime and Ocean Engineering Research Institute), in addition to that, verification process of the case has been completed by comparison of the experimental data, that can be found on literature searches, to the analysis performed with assumptions of the double model hull and infinite depth. Moreover, during the analysis of verification the DOF motions were ignored, thus trim and sinkage of the hull were not accounted for. Following the verification study, the dimensionless axial velocity value, limit stream lines, turbulence kinetic energy and specific dissipation ratio contours have been compared with the experimental outputs. Finally, by evaluating the mesh independency for double model KVLCC2 analysis, uncertainty due to the mesh has been presented and GCI value was obtained.The propeller to be used in hull-propeller interaction analysis has been selected to be KP458 (MOERI). The corresponding propeller was developed by MOERI for using on KVLCC2 hull, moreover the experimental data for open water characteristics is available in literature. Similar to hull form, the verification of the propeller analysis has been achieved by considering dimensionless thrust and moment coefficients, and these values have been compared with experimental data in order to show the compliance. Finally, mesh independency for the propeller in the case of open water analysis have been presented via evaluation of the GCI.In the third subsection of the section three, in accordance the objective of the thesis the new variations of the KVLCC2 was created based on the existing hull form. These variations have been made in the 25% of the hull on the aft side with the modifications made by shifting the section lines toward or away from the aft. The amount of the shifting of selected section lines has been decided to be α=Αx/LBP= 1.812×10-3 units, the first variation which was named to be `variation 1` was created by shifting section lines toward the aft, also the second variation is named to be `variation 2` was created by shifting the section lines in the opposite direction. While forming the new hull forms as variation 1 and 2, the main dimensions of the ship was preserved yet due to the shifting of the sections wetted area of the hull was changed by -0.145% and +0.12% respectively. In addition to wetted area, position of the LCB is also affected as referenced in mid-point of the LBP and positive direction is toward fore, moving from 3.48% to 3.474% and 3.485% for variation 1 and 2 respectively. In the mentioned process, the continuity of the waterlines and the hull was carefully checked, but the changes in the hull form was also effected the total resistance coefficient in variation 1 by +0.8% and variation 2 by +1.6% based on the original hull. Finally, beside the numerical evaluation, the comparison between these three hulls has been made through pressure and limit streamlines and the reason why total resistance was increased is explained.In the third sub section of the section mentioned above, effect of the axial position of the propeller and combination of these position with the variation of the hull was covered. Within the study, 5 combinations of the propeller axial position -hull variation was created by 3 hull variations including one original hull form. Change in the propeller axial position was made apart from the variation of the hull which is α=Αx/LBP= 1.812×10-3, in order to find out the effect of the propeller axial position relative to each variated hull. In this perspective the analysis case was formed to be; the original hull and original propeller position as Case 1, original hull and propeller shifted by α to the fore as Case 2, variation 2 and propeller shifted by α to the aft as Case 3, variation 1 and the original propeller position as Case 4 and, the original hull and propeller shifted by α to the fore as Case 5. In the fourth subsection of the section three, the computational domain and parameters for hull-propeller interaction analysis was covered. Additionally, propulsive efficiency was compared for the five cases which is formed to analyze the interaction. Hull-propeller interaction analysis was performed by load varying method also known as constant speed method. The varying load method, can be defined as change in RPS (revolution per second) of the propeller in constant speed of hull. Propulsive efficiency was evaluated in the self-propulsion point where equilibrium between hull and propeller occurs, which can be expressed in ΑS=RS-TB=0 clearly. Due to this, searching the self-propulsion point is essential step of evaluation of the propulsive efficiency thus results in an interpolated search method. In this method, three independent cases with different advance coefficient (J) was analyzed and a second order polynomial was fitted on data, so that the equilibrium condition for which ΑS equals to zero can be found. Further the advance coefficient in this point was indicated as JS, showing the self-propulsion point. Even though JS was found to be insignificantly different in quantitative, in the other parameters of the analysis the difference was clear and striking. Through an examination, it can be said that the difference in propulsive coefficient remained to be in a diminutive range of 1.5% for the cases which are consisting of Case 1, Case 2 and Case 3 where relative distance of propeller has kept to be same but the hull was variated. In contrast, Case 1, Case 5 and Case 2 where the hull kept as original but the propeller was shifted the change in propulsive coefficient increased promisingly by 4%. As a result, it can be seen that the variation in the hulls was not effective in optimizing the propulsive coefficient, rather than that, the position of the propeller was the effective parameter for optimizing propulsive coefficient. In the end of all examination, it can be said that the Case 4 was the best combination so far from the 5 Cases. 101

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016, Direnç kuvveti, birçok alanda, özellikle de mühendislik uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Yüzen cisimlerdeki toplam direnci, en temel olarak, viskoz basınç direnci, yüzey sürtünme direnci ve dalga direnci bileşenleri oluştururken, batmış cisimler üzerinde dalga direnci mevcut değildir. Her iki durumda da yüzey sürtünme direncinin toplam dirence katkısı oldukça büyüktür. Bu sebeple, literatürde yüzey sürtünme direncinin azaltılması ile ilgili aktif ve pasif yöntemlere sıkça rastlanmaktadır. Yüzeye ince yivler açılması vasıtasıyla sürtünme direncinin azaltılmasının etkin pasif yöntemler arasında gösterilmesi mümkündür. Bu çalışmada, temel yiv ve geometrileri ele alınarak düz levha üzerine uygulanan farklı yiv konfigürasyonları sistematik olarak hesaplamalı yöntemlerle incelenmiştir. Bu konfigürasyonlar arasından literatürde en fazla incelenen V, U, bıçak ağzı ve ikizkenar yamuk şeklindeki yiv uygulamaları ele alınmıştır. Yapılan çalışma Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacim metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modelinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Çalışmadaki asıl amaç yüzeye kontrollü yiv uygulaması ile sürtünme direncinin azaltılmasıdır. Bunun için yiv ile ilgili temel akış parametreleri ele alınarak sistematik bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çalışması yapılmış, düz levha ile yapılan karşılaştırma sonucunda en etkin yiv uygulamasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Literatürde, Walsh (1982), Bechert ve diğ. (1997) ve Choi (1989)’nin yapmış olduğu deneysel çalışmalarda etkili yiv konfigürasyonlarında s+ değer aralığının yaklaşık 5 ile 30 arasında olduğu tespit edilmiştir. Buna göre uygun hız değerinin 5 m/s civarında olduğu belirlenmiş ve hesaplamalı çalışmalarda sırasıyla 3, 5 ve 8 m/s serbest akım hızları kullanılmıştır. Belirlenen bu hızlarda, ilk olarak h/s oran parametresi esas alınarak dört farklı yiv uygulaması ile düz levhaya ait direnç kuvveti değerleri arasında karşılaştırma yapılmıştır. İlk olarak düz levha üzerinde farklı serbest akım hızlarında (3, 5 ve 8 m/s) direnç kuvveti (RF), toplam sürtünme direnç katsayısı (CF) ve yerel sürtünme direnç katsayısı (Cf) parametrelerine ait değerler incelenmiştir. CF değeri, Karman-Schoenherr’e göre incelenmiş ve bu inceleme sonucunda yiv uygulamalarına ait CF değerleriyle yapılacak olan karşılaştırmada kullanılacak referans CF değeri belirlenmiştir. Cf değeri için ise, levha üzerinde x yönünde belirlenen üç farklı noktada (x=0.65, 0.70 ve 0.90) Clauser’e göre yer değiştirme kalınlığına bağlı olarak ve Coles’a göre momentum kalınlığına bağlı olarak incelemeler yapılmış ve bu inceleme sonucunda, hesaplamalı çalışmadan elde edilen Cf değerlerinin ele alınan Reδ1 aralığında Clauser eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 1 duyarlılıkla uyum sağladığı, ele alınan Reϴ aralığında ise Coles eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 3 duyarlılıkla uyum sağladığı görülmüştür. Bundan sonraki adımda, pasif direnç azaltıcı yöntemlerden yiv uygulamasına ait inceleme yapılacak parametreler belirlenmiştir (hız değeri, yiv yüksekliği (h), yiv yüksekliğinin yiv aralığına oranı (h/s) ve boyutsuz parametre olan s+). Belirlenen bu parametreler çerçevesinde ilk olarak h/s=0.5’te üç farklı serbest akım hızında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile aynı hızlarda düz levhaya ait RF değerleri incelendiğinde yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı tespit edilmiştir. Aynı hesaplamalı çalışma h/s=1 için de gerçekleştirilmiş ve bu değerde de yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı görülmüştür. Yapılan bu tespitlerden sonra, bundan sonraki adımlarda V şeklindeki yiv uygulaması üzerinden yapılan incelemeler detaylandırılmıştır. Çizelgeler halinde verilmiş olan V şeklindeki yiv uygulamasına ait farklı serbest akım hızlarında ve farklı h/s oranlarında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile düz levhaya ait RF değerleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, aynı h/s oranında, 3, 5 ve 8 m/s’deki yiv uygulamalarına ait direnç kuvveti (RF) değerleri ile aynı hızlarda düz levha üzerindeki direnç kuvveti (RF) değerlerinin karşılaştırılması sonucunda yaklaşık olarak en fazla direnç kuvveti düşüşü V şeklindeki yiv uygulamasında, en az direnç kuvveti düşüşü ise bıçak ağzı şeklindeki yiv uygulamasında görülmüştür. Aynı h/s ve hız değerlerine ait veriler incelendiğinde ise s+ değerinin artması ile yaklaşık olarak direnç kuvveti düşüşünün de arttığı tespit edilmiştir. Farklı h ve s değerinde, fakat aynı h/s oranına sahip (Örneğin, 1- h=0.01875 ve s=0.0375, h/s=0.5 2- h=0.05 ve s=0.1, h/s=0.5) ve aynı hızlardaki verilerin incelenmesi neticesinde, s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüşünün azaldığı görülmüştür. Aynı h ve s değerlerine sahip, farklı serbest akım hızlarındaki yiv uygulamalarında ise (Örneğin, 1- h=0.1 ve s=0.1, hız=3 m/s, 2- h=0.1 ve s=0.1, hız 5 m/s) hız değerinin ve buna bağlı olarak s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüş değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Düz levha ile V ve BA yiv uygulamalarına ait girdaplılık ve türbülans kinetik enerjilerine ait dağılımların incelenmesi neticesinde, düz levha ile V ve BA yiv uygulamaları arasında ciddi farklılıkların olduğu gözlemlenmiştir. Düz levhada duvar cidarındaki girdaplılık dağılımının yiv uygulaması ile duvar cidarından uzaklaştığı ve yiv tepe noktalarında yoğunlaştığı görülmüştür. V ve BA yiv uygulamalarının tepe noktalarındaki girdaplılık dağılımına ait karşılaştırmada ise, BA yivdeki dağılımın V yivdeki dağılıma göre daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Düz levha ile V ve BA yive ait türbülans kinetik enerjileri dağılımına ait karşılaştırma neticesinde, türbülans kinetik enerjinin yiv uygulamalarında düz levhaya göre daha az seviyede olduğu tespit edilmiştir. Özellikle V yivde türbülans kinetik enerjinin en az seviyeye indirgendiği görülmüştür., Resistance force, in many areas especially in engineering applications, has an important place. The total resistance of floating bodies, the most basic, involves in the components of the viscous pressure resistance, skin friction resistance and wave resistance, but on the sinking bodies the wave resistance is not involved. In both cases, the contribution to the total resistance of the skin friction resistance is quite large. Therefore, it is common to the active and passive method for reducing the skin friction resistance in the literature. Investigating the reduction of skin friction by opening thin riblets through the effective passive methods are possible. In this study, dealing with the riblets and their geometries different riblet configurations which are applied on the flat plate are systematically studied by computational methods. Through these configurations the riblet applications which are the most studied in the literature are V, U, blade and trapezoidal riblets. Furthermore, the boundary layer thickness, the displacement thickness and the momentum thickness are explained because of the investigation of the total friction coefficient (CF) on the flat plate. After that, the explanations for the V, U, blade and trapezoidal riblet applications are given. There are a lot of experimental studies on the riblet applications: V, U, blade and trapezoidal which are the most common. In all these experimental studies the drag reduction is identified. The highest drag reduction percentage is approximately % 10 on blade riblet application and on V riblet application the drag reduction percentage is approximately % 6-8. The studies were carried out with the method of Computational Fluid Dynamics (CFD). Theoretical background on Computational Fluid Dynamics was given with its historical progress. Besides, detailed information is given about incompressible Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) based two equation eddy viscosity SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model and pressure velocity relation algorithm for steady flow is taken SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure--Linked Equations) algorithm which denotes pressure-velocity relation for steady flows that are chosen by this thesis. Moreover, Law of the Wall is briefly explained. In this study, dimensionless distance from the wall y+ values is attempted lower than 5. Since, the flow separation is investigated properly with y+, Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016, Akım ayrılması hadisesi, ters basınç gradyanı neticesinde sınır tabakanın duvar yüzeyinden ayrılması sonucu oluşmaktadır. Bu hadise, dolgun formlu tankerler gibi deniz araçlarında görülebilmektedir. Deniz araçlarında oluşan akım ayrılmaları gemilerde direnç artışı ve gemilerin sevk verimini düşürmesi gibi olumsuz etkilere neden olmaktadır. Günümüzde, hidrodinamik ve aerodinamik açıdan pek çok kara, hava ve deniz araçlarının akım ayrılmalarının yerleri tespit edilebilmektedir. Tespit edilen akım ayrılmaların engellenerek ya da geciktirilerek kontrol edilmesi mühendislerin oldukça ilgisini çekmektedir. Aerodinamik açıdan müspet etkileri görülen girdap yapıcılar duvardaki sınır tabaka içine girdaplar ile sınır tabakanın enerji düzeyini arttırarak akım ayrılmalarının kontrolünü sağlamaktadır. Kara ve hava araçlarının aerodinamik dizaynında önemli bir yer tutan girdap yapıcılar, hidrodinamik açıdan da potansiyeli öngörülmüştür. Bu konuda inceleme yapmak üzere güçlü akım ayrılmalarına sahip dolgun formlu bir tankerin akım ayrılmalarının girdap yapıcılar aracılığıyla kontrolü çalışmaları yapılmıştır. Bölüm 1’de girdap yapıcılar hakkında literatürde yapılan çalışmalar özetlenmiş olup girdap yapıcıların tipleri ve parametreleri hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile gerçekleştirilmiştir. Bölüm 2’de HAD yöntemleri ve HAD yöntemlerinde kullanılan yönetici denklemler hakkında bilgi verilmiştir. Aynı zamanda bu kısımda; sıkıştırılamaz Reynolds Ortalaması Alınmış Navier Stokes (RANS) temelli SST k-ω türbülans modeli ve daimi akış için basınç hız bağıntısı veren SIMPLE algoritması hakkında detaylı bilgi yer almaktadır. HAD çalışmalarının sağlıklı olarak yürütülebilmesi için kullanılan teknik ve yöntemlerin deneysel verilerle geçerlenmesine ihtiyaç vardır. Bölüm 3’te HAD teknik ve yöntemlerin geçerlemeleri yer almaktadır. Geçerleme çalışmaları MOERI (Maritime and Ocean Engineering Research Institute) tarafından geliştirilen U kıç formlu KVLCC2 (KRISO - Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering - Very Large Crude Carrier) gemisi kullanılarak yapılmıştır. KVLCC2 gemisinin geçerleme çalışmaları, çift model yaklaşımıyla sonsuz derinlik kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırması sonucu elde edilen deneysel veriler ile yapılan HAD çalışmalarından elde edilen veriler karşılaştırılarak geçerleme işlemleri tamamlanmıştır. Çalışmaların daha az maliyetli olarak sürdürülebilmesi için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bölüm 3’te ayrıntılı bir şekilde açıklanan bu yöntem KVLCC2 gemisine uygulanmıştır. Kesilmiş modelin HAD analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar kesilmemiş modelin direnç bileşen değerleri, akım hatları ve belirli istasyonlardan alınan hız, basınç, türbülans kinetik enerjisi ve spesifik disipasyon oranı konturları kesilmiş modelinkileri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırması yapılan sonuçlarda yüksek oranda benzerlik görülerek modelin kesilmesi yönteminin geçerlemesi yapılmıştır. Bölüm 4’te girdap yapıcıların şiddetli akım ayrılmalarına sahip bir tankerin kıçına uygulanarak akım ayrılmalarının kontrolü çalışmaları yer almaktadır. Girdap yapıcıların tankerin kıçına uygulaması çalışmalarından önce çalışılan tanker için yapılan HAD çalışmalarının ağdan bağımsızlığı yapılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışmaları sonucu elde edilen ideal çözüm ağı için modelin kesilmesi yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem ideal tanker çözüm ağına uygulanarak yöntemin geçerlemesi tanker modeli için tekrar yapılmıştır. Tanker için modelin kesilmesi yönteminde elde edilen giriş profili bundan sonraki bütün çalışmaların giriş koşulu olarak yer almaktadır. Kesilmiş model çözüm ağı sıklaştırılıp tekrar çözülmüştür. Bu çözümden, tankerin akım ayrılmalarının yerleri tespit edilmiştir. Tankerin kıçına uygulanan girdap yapıcıların akım ayrılmalarına etkilerinin yanı sıra tankerin direnç bileşenlerine etkileri de dikkate alınmaktadır. Bu iki husus dikkate alınarak en verimli girdap yapıcı konfigürasyonunun tespiti için parametrik çalışma yapılmıştır. Bölüm 4.3’te girdap yapıcıların değişken dört tane parametre ile sistematik bir biçimde tanker kıçına uygulanarak akım ayrılmalarına ve direnç bileşenlere etkileri araştırılmaktadır. Bu parametreler; girdap yapıcılar arası mesafeler, girdap yapıcıların hücum açıları, girdap yapıcıların profil yükseklikleri ve girdap yapıcıların girdaplarının dönüş yönleridir. Bu çalışmada, girdap yapıcılar arası mesafeler S, girdap yapıcıların boyları L’ye bölünerek S/L olarak boyutsuzlaştırılarak ifade edilmektedir. Girdap yapıcıların hücum açıları ise α olarak ifade edilmektedir. Profil yüksekliklerine göre girdap yapıcılar; konvansiyonel ve düşük profil girdap yapıcılar olarak isimlendirilmektedir. Girdap yapıcılar ürettikleri girdaplara göre eş dönüşlü ve karşıt dönüşlü girdap yapıcılar olarak bu çalışmada yer almaktadır. Değişken dört parametrelerin üzerinden uygulanan girdap yapıcı vakaları belirlenmiş bir kural doğrultusunda kodlanmaktadır. Kodlama kuralına göre bütün vakaların ismi GY ile başlamakta olup ilk iki rakam girdap yapıcıların birbirlerine olan S/L mesafelerini, üçüncü ve dördüncü rakam α’yı temsil eder. Beşinci karakter konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında K, düşük profil girdap yapıcı vakalarında D olarak yer almaktadır. Son karakter eş dönüşlü girdap yapıcı vakalarında E, karşıt dönüşlü girdap yapıcı vakalarında K olarak yer almaktadır. Çıplak gemi M1 olarak isimlendirilmektedir. Bu konuda daha ayrıntılı bilgiler ve örneklendirmeler Bölüm 4.4’te yer almaktadır. Bölüm 4.4.1’de ilk parametre olarak girdap yapıcıların S/L parametresi incelenmektedir. S/L parametresi incelenen girdap yapıcılar konvansiyonel, eş dönüşlü ve hücum açıları α = 160’dir. İlk parametre için gemi kıçına uygulanan girdap yapıcı vakalarında S/L = 2.5 konfigürasyonuna sahip GY2516KE’den en verimli sonuç alınmıştır. GY2516KE vakası M1 vakası ile kıyaslandığında GY2516KE vakasında akım ayrılmaların büyük ölçüde engellendiği görülmektedir. GY2516KE vakasındaki girdap yapıcılar tankerin direnç bileşenlerini %4.6 oranında düşürdüğü görülmektedir. GY3516KE ve GY1016KE ise en başarısız sonuçların alındığı vakalardır. Konvansiyonel, eş dönüşlü ve 160 hücum açılı vakalarda GY3516KE vakası hariç bütün vakalar akım ayrılmalarının kontrolü açısından başarılı sonuç verirken, GY1016KE vakasının direnç bileşen değerleri açısından başarısız sonuç vermesinin sebepleri araştırılmıştır. GY1016KE vakasının tanker yüzeyindeki basınç katsayısı konturları ve belirli istasyonlardan alınan girdaplılık konturlarına göre bu vakada yer alan girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına kadar ulaşarak tanker direnç bileşen değerlerini olumsuz etkiledikleri görülmüştür. Bölüm 4.4.2’de ikinci parametre olarak α incelenmektedir. Bölüm 4.3.1’de incelenen 160 hücum açılı S/L mesafelerinden 2.5, 2.0 ve 1.5 olanlarının 100 ve 230 hücum açılı olarak uygulamalarının analizi yapılmıştır. Direnç bileşen değerleri açısından, incelenen S/L mesafelerinin α = 100 ve α = 230 hücum açılı vakalardan hiçbirisi aynı S/L mesafelerinin α = 160 hücum açılı vakalarından daha başarılı sonuç vermemiştir. Bunun nedeni olarak α = 230’li ve α = 100’li vakaların girdapların tankerin ayna kıçına daha şiddetli ulaşması olarak ortaya konmuştur. Bölüm 4.4.3’te üçüncü parametre olarak girdap yapıcıların profil yükseklikleri incelenmektedir. Düşük profil girdap yapıcı vakalarında önceki bölümlerde verimli olarak ortaya konan 160 hücum açılı ve 2.5, 2.0, 1.5 ve 1.0 S/L mesafelerinin uygulamaları yer almaktadır. Akım ayrılmalarının kontrolü açısından ve tanker direnç değerlerini düşürmesi açısından S/L = 1.0 mesafeli GY1016DE vakası en başarılı düşük profil girdap yapıcı vakası olarak belirlenmiştir. GY1016DE vakasındaki girdap yapıcılar tanker direnç bileşenlerini %4.21 oranında düşürdüğü görülmektedir. Diğer S/L mesafelerinden ek olarak S/L = 1.0 düşük profil girdap yapıcıların 100 hücum açılı uygulaması yapılmıştır. Konvansiyonel girdap yapıcı vakalarında olduğu gibi S/L = 1 mesafeli 160 hücum açılı düşük profil girdap yapıcı uygulaması 100 hücum açılı uygulamaya göre daha başarılı sonuç verdiği görülmüştür. Genel olarak tanker kıçına uygulanan düşük profil girdap yapıcılar akım ayrılmaların kontrolü açısından konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha başarısız sonuçlar vermesine rağmen direnç bileşen değerlerini kayda değer oranda düşürdükleri görülmektedir. Bunun nedeni, düşük profil girdap yapıcıların ürettikleri girdapların tankerin ayna kıçına ulaşana kadar zayıflayarak ayna kıç akımını daha konvansiyonel girdap yapıcılara göre daha düşük oranda etkilemeleri olarak görülmüştür. Bölüm 4.4.4’te girdap yapıcıların girdap dönüş yönü parametresi incelenmiştir. En verimli eş dönüşlü girdap yapıcı parametreleri karşıt dönüşlü girdap yapıcı konfigürasyonuna uygulanmıştır. S/L = 2.5 mesafelerinin α = 100 ve 160 hücum açılı konvansiyonel girdap yapıcıların karşıt dönüşlü uygulamaları yapılarak iki tane karşı dönüşlü girdap yapıcı vakasının analizi yapılmıştır. Eş dönüşlü girdap yapıcı uygulamaların tersine 100 hücum açılı GY2510KK vakası 160 hücum açılı GY2516KK vakasına göre daha efektif sonuçlar vermiştir., Flow separation, which is detachment of a boundary layer from the wall surface due to adverse pressure gradient, is an undesired phenomenon in terms of ship hydrodynamics. Flow separation on marine vessels can cause negative results as well as increasing resistance and propulsion energy losses. It is possible to determine the location of the separation by the aspects of hydrodynamics and aerodynamics scopes on surfaces of aerial and nautical vessels. It can be a significant issue to vanish or delay flow this incident. As an application, vortex generators already has favorable effects on flow separation by generating vortex in order to increase energy level in the boundary layer with a consequence of deriving streamlines towards wall surface. Vortex generators, which are commonly in use in the field of aerodynamics, have potential for hydrodynamics studies. In scope of this thesis, vortex generators are utilized as an implantation on stern of a tanker with severe flow separations to investigate separation control of a marine vessel by vortex generators. The literature review related to vortex generators and its types and parameters are stated in Chapter 1. Committed studies are executed by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The methods and the governing equations are briefly mentioned in Chapter 2. Besides, in this chapter, detailed information is given about incompressible Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) based two equation eddy viscosity SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model and pressure velocity relation algorithm for steady flow is taken SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) algorithm which denotes pressure-velocity relation for steady flows that are chosen by this thesis. Moreover, in this chapter Law of the Wall is briefly explained. In this study, dimensionless distance from the wall y+ values is attempted lower than 5. Since, the flow separation is investigated properly with y+, Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016, Yüksek akış hızına ve kapalı çevrime sahip, basınç kontrolünün yapıldığı, hidroakustik, hidrodinamik ve kavitasyon incelemelerinin gerçekleştirildiği kavitasyon tünelinin hidrodinamik dizaynı, kavitasyon tüneli ile ilgili literatür incelendiğinde başlıca araştırma konusudur. Özellikle daralma, difüzör ve dirseklerin hidrodinamik dizaynı, tünelin test kesiti içerisindeki akış kalitesini ve tünelin genel boyutlarını belirleyen temel öğelerdir. KATMANSİS projesi kapsamında fakültemiz bünyesine kazandırılacak yüksek hızlı kavitasyon tüneline referans bilgi kaynağı olması amaçlanan bu tez çalışmasında tünel için daralma, difüzör ve dirseklerin hidrodinamik dizaynı yapılmıştır. Akım ayrılması hadisesinin bulunmaması ve bütün kısımlar için minimum enerji kaybının elde edilmesi tünelin verimini belirleyen faktörlerdir. Özellikle tasarım aşamasında kavitasyon tünelinin performansını belirleyen, test kesiti içerisinde erişilebilecek minimum kavitasyon sayısı, tübürlans şiddeti ve sınır tabaka dışında kalan kısım için her yöndeki akım düzgünlüğünün dağılımının kontrolü başlıca dizayn kriterlerdir. Bölüm 1’de kavitasyon tünelleri ve incelenecek kesitler hakkında literatür çalışmalarına yer verilmiştir. Bölüm 2’de test kesiti içerisindeki akışın, minimum kavitasyon sayısı olarak belirlenen 0.2 civarında olması, akış düzgünlüğü çalkalanmasının bütün yönlerde tünel içi referans akış hızının %1’inden az olması, türbülans şiddetinin %1’den az olması ve test kesiti içerisinde sınır tabaka gelişiminin minimum düzeyde tutulması olmak üzere genel dizayn kriterlerinden bahsedilmiştir. Test kesiti içerisindeki akım kalitesini direkt olarak kontrol eden ve bu kesitten hemen önce yer alan daralma bölgesinin dizaynı, daralma oranı, daralma uzunluğu ve daralma girişinde ikinci türevin ve büküm noktasının kontrol edildiği daralma profili olmak üzere dört ana kriter üzerinden yapılmıştır. Test kesitindeki akışı düzgün bir şekilde tahliye etmek için, genişleme oranı ve difüzör açısının kontrol edildiği difüzör bölgesi tanıtımına yer verilmiştir. Tünelin maksimum uzunluğunu kontrol eden bu bölge aynı zamanda, genişleme oranı ile akışın tünel içerisindeki ortalama akış hızını da etkilemektedir. Dolayısıyla tünel içerisindeki toplam basınç kaybının minimum tutulabilmesi için ele alınması gereken temel kısımlardandır. Son olarak daralma girişi ve difüzör çıkışında yer alan dirseklerin dizaynı için seçilmiş olan, profil şekli, profil boyu, hücum açısı ve profil sayısı oranı kriterlerine yer verilmiştir. Bu kriterlerin kavitasyon tüneli üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir. Yapılan dizayn çalışması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. HAD analizleri teorisi hakkında bilgiler Bölüm 3’te sunulmuştur. Aynı zamanda bu kısımda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacimler metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modeli hakkında detaylı bilgiye yer verilmiştir. Bölüm 2’de bahsedilmiş olan her kesit için incelenen vakaların sonuçları Bölüm 4’te verilmiştir. Dizayn aşamasında gerçekleştirilen analizler, tünelin servis hızı olan 10m/s için ele alınmıştır. Uygun olarak belirlenen geometriler için ayrıca 2m/s’lik düşük hıza ve test kesiti için en yüksek hız olarak belirlenen 15m/s’lik akış hızına sahip vakalar gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ele alınan daralmanın giriş ve çıkış alan oranına bağlı olarak kontrol edilen daralma oranı 5 ve 6 için analizler gerçekleştirilmiş ve test kesiti içerisindeki etkileri incelenmiştir. Daralma oranının artması ile test kesiti içinde hesaplanan türbülans şiddeti ve akış düzgünlüğü olumlu olarak etkilenirken, daralma girişi taban köşelerinde sınır tabaka içinde akım ayrılmaları gerçekleşmiş, dolayısıyla istenen kriterleri sağlayan daralma oranı 5 seçilmiştir. Daralma uzunluğunun kısa olması, ani basınç değişimine bağlı ters basınç gradyanlarının arttırdığı için daralma uzunluğunun test kesitine olan oranı L_c/h=4.6’nın incelendiği vakada akım ayrılması oluşmaktadır. Dolayısıyla daha uzun daralma boyuna sahip L_c/h=4.75 oranı ile gerçekleştirilen analizlerde ayrılmanın bulunmadığı uygun sonuçlar elde edilmiştir. Test kesiti içerisinde sınır tabakanın gelişmesi arzulanmadığı için daha uzun daralma geometrileri üzerine çalışmalar yapılmamıştır. Daralma duvarı profili için altıncı dereceden dört terimli polinom tercih edilmiştir. Böylelikle büküm noktasının yanı sıra daralma girişi ikinci türevinin de kontrol edilmesine imkan sağlanmıştır. Büküm noktasının daralma üzerindeki konumu, test kesiti içerisinde elde edilecek minimum basınç katsayısı üzerinde etkili olurken, daralma girişinde profilin ikinci türevi ise bu bölgedeki akış kalitesini etkilemektedir. Büküm noktası test kesitine yaklaştıkça, test kesiti içerisinde elde edilecek minimum kavitasyon sayısının artmasına, uzaklaştıkça ise daralma girişinde akım ayrılmasına sebep olmasından ötürü büküm noktasının konumu (x_c^i)⁄L_c =0.5 olarak belirlenmiştir. Daralma girişi ikinci türevinin farklı değerleri, daralma girişinde akım ayrılmasına sebep olduğu için d_2=0 en uygun sonucu vermiştir. Bölüm 4.2’de incelenen difüzör geometrisinde, iki ana parametre olan genişleme oranı ve difüzör açısı incelenmiştir. Birbirlerine direkt etki eden bu iki parametre kontrolü ile minimum enerji kaybına ve minimum difüzör uzunluğuna sahip geometri tasarlanmıştır. Tasarım aşamasında sabit difüzör açısına sahip geometrileri içeren vakalardan istenen sonuçların alınmadığı görülmüştür. Dolayısıyla ilk olarak tünel boyunca tünelin köşelerine uygulanan pah modifikasyonu ile daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Fakat sonuçların istenen düzeyde olmamasından dolayı, basamaklı yapıya sahip ve üç farklı basamakta kontrol edilen difüzör geometrisi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Neticede genişleme oranı d=2.8 olan ve 19.5m uzunluğuna sahip farklı difüzör açılarına sahip geometri dizayn edilmiştir. Son olarak Bölüm 4.3’te analizleri gerçekleştirilmiş 2B dirsek geometrisinin sonuçlarına yer verilmiştir. Profil geometrisinin, bu bölgeden geçen akış üzerindeki etkisi çok büyüktür. Analizlerin sonucunda NACA9410 geometrisi ile gerçekleştirilen vakalarda çok büyük akım ayrılması bölgesinin oluştuğu görülmüştür. Dolayısıyla bu tünel için özgün iki farklı prototip geliştirilmiştir. Minimum basınç kaybı ve maksimum akış düzgünlüğünü sağlayan dirsek geometrisi için ayrıca profil sayıyı oranı, profil boyu ve profilin hücum açısı incelenmiştir. Neticede, profil sayısının artması ve boyunun uzamasına bağlı olarak, bu bölgedeki toplam ıslak yüzey alanı artmaktadır. Minimum basınç kaybını verecek değerlere sahip geometrinin tasarlanması için değişik değerlere sahip vakalar incelenmiştir. Bu kısımda elde edilen tecrübeler daralmadan önce ve difüzörden sonra yer alan dirseklerde uygulanmıştır. Sonuç olarak tasarlanan dirsek geometrisi için geliştirilmiş P-2 profili, profil sayısı oranı 2.2, profil boyu L_P=0.75m ve hücum açısı olarak α=-5 değerlerine sahiptir. Tasarlanan kesitlerin hepsini içeren tek bir akış hacminden oluşan vaka farklı hız değerleri için Bölüm 4.4’te incelenmiştir. Böylelikle bütün geometrilerin birbirleri ile olan etkileşiminin dahil edildiği analizlerde, test kesiti içerisinde kontrol edilen kriterlerin sağlandığı sonuç sunulmuştur. Ayrıca tünelin ihtiyaç duyduğu maksimum pompa gücü, bu kısımda incelenen maksimum hız olan 15m/s için incelenen vaka üzerinden hesaplanmıştır., In the literature, hydrodynamic design of high speed and closed circuit cavitation tunnel in which hydroacustic, hydrodynamic and cavitation performance are investigated with controlled pressure is an essential research study. Especially, hydrodynamic design of contraction, diffuser and vaned elbows are main parts of the cavitation tunnel that control flow quality inside the test section, and also they directly affect main dimensions of the cavitation tunnel. In this thesis, hydrodynamic design of contraction, diffuser and vaned elbows was done to gain reference knowledge for the cavitation tunnel, which will be brought in our faculty by KATMANSIS (Cavitation Tunnel and Manoeuver Experiment System) project. The tunnel efficiency is determined with no flow separation and minimum energy loss for each part of the tunnel. Particularly, control of minimum reachable cavitation number, turbulence intensity and flow uniformity at all directions outside of the boundary layer inside the test section are the basic design criterions during design stage. The literature investigation about cavitation tunnels and its sections, which were investigated in the thesis, are presented in the first chapter. In the second chapter, general design criterions are given with desired limits in the test section, for instance minimum cavitation number should be around 0.2, flow uniformity should be less than 1% at all directions with respect to the reference flow speed, turbulence intensity should not exceed 1% and minimum boundary layer development should be provided. The contraction geometry, which directly controls flow quality in the test section and takes place just before test section, was investigated with four different parameters. These are contraction ratio, contraction length and contraction wall profile which controlled second derivative of contraction entrance and the position of inflection point. Diffuser was controlled with the expand ratio and diffuser angle to be able to discharge water from the test section smoothly. This section does not only affect length of the tunnel, but also determines the average flow speed in parts of downstream side of diffuser with its expand ratio. Hence, diffuser should be properly designed to minimize total pressure loss of the tunnel. Finally, the vaned elbows, which take place at downstream of diffuser and upstream side of contraction, were designed with profile shape, profile length, attack angle and profile number ratio. These criterions’ effects on cavitation tunnel are referred. Design studies were done via using Computational Fluid Dynamics method. In third chapter, theoretical background on CFD was given with its historical progress. Furthermore, the details about finite volume method take place in the same chapter, SIMPLE method for velocity-pressure discirizastion and SST k-ω that chosen as turbulence model. All studied cases’ results for the section, which was mentioned in the second chapter, was presented in fourth chapter. Flow speed in test section was set as 10m/s, which is determined as service speed in test section, for all cases at design stage. However, for the cases considered as optimal geometry also analyzed for other two different flow speed, which are 2m/s for low Reynold’s Number and 15m/s for maximum desired velocity in test section. First cases were done by studing on contraction ratio which was taken as 5 and 6. Then their effect in test section was indicated. Positive effect of increasing contraction ratio was showed with flow uniformity and turbulence intensity as expected while boundary layer flow separation were occurred around contraction entrance. Thus, contraction ratio 5 was chosen as optimum contraction ratio. Incident pressure change caused adverse pressure gradient with short contraction length, so boundary layer flow separation was generated in the case whose ratio of contraction length to test section height was L_c/h=4.6. Thus, the case with longer contraction length with L_c/h=4.75 gave also good result with no separation. However, there were no longer contraction length since it is not acceptable having thicker boundary layer in test section. It was preferred to derive contraction wall profile from 6th order four-term polynomial. Hereby it is possible to control second derivative of contraction entrance profile as well as inflection point position on contraction. The position of inflection point directly affect minimum value of pressure coefficient in test section, while second derivative of wall profile affects flow quality around contraction entrance. When inflection point gets close to test section, reachable minimum cavitation number was increasing in test section, on the other hand whet it gets close to contraction entrance, boundary layer flow separation started to occur. Thus, it was decided to locate inflection point to (x_c^i)⁄L_c =0.5 with no flow separation and reachable minimum cavitation number. In addition, three different values of second derivative of contraction entrance were analyzed, only d_2=0 was acceptable due to having no flow separation contrary to other values. In chapter 4.2, study on diffuser was examined by controlling two main parameters which are expansion ratio and diffuser angle. Optimum diffuser geometry was designed with minimum pressure loss and diffuser length by controlling the parameters directly bounded with each other. It was observed that geometries with fixed diffuser angle did not give expected result during design stage. Hence, chamfer was defined to corner of sections along the tunnel and it improved the results. According to diffuser length, the results were not enough, so the study continued with stepped diffuser geometry, which was divided into three equal parts along the diffuser, each part of diffuser was controlled with its own individual diffuser angle. Finally, optimum diffuser geometry was designed which has expansion ratio 2.8 and diffuser length 19.5m. Finally, 2D vaned elbow geometries’ results were given in Chapter 4.3. Profiles’ geometry substantially affects flow in this zone. NACA9410, which was thought as the most probable geometry to direct the passing flow with its shape among all NACA four digit profiles, was analyzed and large flow separation detected at downstream side of profile. Thus, two original profile geometry designed for the tunnel. Furthermore, studies about vaned elbow contained three more parameters for elbow design. These are profile number ratio, profile length and profile attack angle, in order to have minimum pressure losses and provide maximum flow uniformity. Eventually wet surface area is increasing related with increasing profile number and profile length. Different cases were investigated to have minimum pressure loss. Vaned elbows geometry before contraction and after diffuser were design by getting experience in this chapter. So, final values of parameters of vaned elbow geometry are Prototipe-2 profile, 2.2 profile number ratio, which is hypotenuse length to profile number in elbow, profile length L_P=0.75 and attack angle α=5 The result of final case that contains all designed geometry of sections was analyzed in one flow volume for three main speed in Chapter 4.4. Thus, flow in test section was modelled more accurately and flow qualites were reported with including all design geometries’ interaction with each other. It is showed that all desired values of criterion can be provided by putting honey cumb geometry before contraction. Moreover, maximum power requirement of the tunnel was calculated according to pressure loss of 15m/s case and empirical calculation for the parts that was not included to flow volume such as lower parts of the tunnel., Yüksek Lisans, M.Sc.

Bu tez iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda Yttrium aluminyum garnet (YAG) saydam seramikleri ikinci kısamda ise seryum katkılı ZnO ve Zn(OH)2 katmanlı malzemeler incelenmiştir.Yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) üstün optik özelliklere yüksek kimyasal dayanıma sahiptir. Lantanit serisi iyonlarıyla katkılandığında YAG, katı hal lazerleri ve fosfor uygulamaları için üstün bir malzemedir. Günümüzde katı hal lazerlerinde, lazer kaynağı olarak cam ya da Czochralski yöntemiyle tek kristalden büyütülmüş kaynaklar kullanılmaktadır. Tek kristalden büyütme yöntemi cam lazer kaynaklarına göre bir takım avantajlar içerse de, bu yöntem pahalı ve uzun zaman gerektirmektedir. Çok kristalli YAG seramikleri tek kristalden büyütülmüş lazer kaynaklarına birer alternatiftirler ve katı hal lazer kaynakları için önemli birer adaydırlar. Ancak literatürde ilk defa lazer kaynağı olarak kullanımlarının bildirilmesinin üzerinden yirmi yıl geçmesine rağmen, günümüzde çok kristalli seramik lazer uygulamaları sınırlı kalmaktadır.Yakın geçmişte ZnO malzemeler geniş bant aralıkları ve yüksek uyarım binding enerjileri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Ayrıca bu malzemelerin elektronik ve optik özellikleri morfolojiyi değiştirmek suretiyle değiştirilebilmektedir. Literatürde bahsedilen birçok morfoloji vardır. Bunlardan bazıları nano teller, tüpler, çubuklar, tabakalar, yıldızlar ve kemerlerdir. Bir diğer morfoloji olan katmanlı yapı anyonik surfactant kullanılarak oluşturulmaktadır. Katmanlı ZnO malzemeler doğal olarak da bulunan brucite (Mg(OH)2) yapısındadır.Bu çalışmanın ilk kısmında (Chapter I ve II), Ce3+ ve Eu3+ katkılı çok kristalli YAG örnekleri farklı toz sentezleme yöntemleri kullanılarak hazırlanmış ve bu yöntemlerin toz karakteristikleri üzerine olan etkileri araştırılmıştır. 1, 5 ve 10% katkılı örnekler hidrotermal, sitrat, katı hal ve çöktürme yöntemleriyle sentezlenmiştir. Çöktürme yöntemi hem normal-strike hem de reverse-strike yolları izlenilerek denenmiştir. TGA/DTA analizleri sitrat ve çöktürme yöntemleriyle hazırlanan örneklerin 900˚C'de kristallenmeye başladıklarını göstermiştir. Bu sebeple örnekler 900˚C ila 1300˚C arasında kalsine edildiler. XRD sonuçlarından, reverse-strike ve sitrat yöntemleriyle 900˚C'de saf YAG fazı elde edilebildiği görülmüş ancak aynı sonuçlar diğer yöntemlerle 900˚C'de tekrarlanamamıştır. YAM ve YAPviara fazları sitrat ve reverse-strike yöntemlerinde gözlemlenmemiştir. Ayrıca birden çok adımda kalsinasyon işleminin etkileri araştırılmıştır. YAG prekürsörleri 900˚C ve 1200˚C de bir, iki ve üç kere kalsine edilmiştir. Örneklerin FESEM fotoğrafları alınmış ve sıcaklık kristallenme eşik değerinin üzerinde olmak şartıyla, kalsinasyon sıcaklığının amorf örneklerin tane büyümeleri üzerine çok fazla etki etmediği görülmüştür. Ancak ön kalsinasyon işlemiyle kristallenmiş örneklerin taneleri ikinci bir kalsinasyonla kayda değer bir büyüme göstermiştir. 0.28% SiO2 katkılı saf YAG tozları alçı kalıba döküm yöntemiyle şekillendirilmiştir. 1750˚C'de ve 10-5 Torr vakum altunda 8 saat sinterlenme işleminin ardından görünür bölgede 50% saydamlığa ulaşılmıştır.İkinci kısımda (Chapter III), arasına SDS sokulmuş Zn(OH)2 katmanlı malzemeler hidrotermal yöntem kullanılarak 90˚C'de sentezlenmiştir. 0.002 mol Zn(NO3)3 başlangıç malzemesi için 0.002 mol ile 0.012 mol arasında farklı HMT oranları denenmiştir. SDS'siz örnekler ayrıca hazırlanarak surfactantın etkisi incelenmiştir. Örneklere 1, 5 ve 10% oranlarında Ce3+ iyonu eklenmiştir. FESEM sonuçları örneklerin SDS'le birlikte sentezlendiklerinde nano tabaka yapısında olduklarını göstermiştir. Reaksiyon süresi arttığı durumlarda tabakalar kıvrılarak koni yapısına geçmiş ve morfoloji değişmiştir. SDS içermeyen örnekler ise literatürde de bahsedilen hegzagonal çubuk yapısı oluşturmuşlardır. XRD sonuçları, örnekler SDS kullanılmadan 90˚C'de sentezlendiğinde ZnO ürünü elde edildiğini ancak SDS kullanılmadığında bu sonucun mümkün olmadığını göstermiştir. SDS kullanılan örnekler ise bu sıcaklıkta Zn(OH)2 katmanlı yapıda bulunmaktadırlar. Ayrıca HMT miktarının partikül büyümesini arttırdığı görülmüştür. This thesis consists of two parts. The first part of the thesis is dedicated to synthesis of Yttrium aluminum garnet (YAG) transparent ceramics and the second part is dedicated to the Cerium doped ZnO and Zn(OH)2 layered nanocomposites.Yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) has very good optical properties and chemical stability. When doped with rare earth ions, YAG is an excellent material for solid-state laser and phosphorus applications. In conventional solid-state laser applications glass or Czochralski grown single crystals are used as the gain medium. Though Czochralski grown single crystals are better than the glasses in terms of optical properties, the process of single crystal growth is time consuming and expensive. Polycrystalline YAG ceramics are alternatives to the single crystal grown materials and promising candidates for solid-state laser hosts. However, even twenty years after they were first reported as an efficient laser host, polycrystalline YAG ceramics are limited in laser applications.In recent years, ZnO materials have been in the center of interest because of their large band gap and large value of exciton binding energy. More importantly optical and electronic properties of ZnO materials can be changed by changing the morphology. Many different morphologies are well known for ZnO including, wires, tubes, rods, flowers, sheets, stars, belts. One such morphology is layered structure which forms with the aid of anionic surfactants. Layered metal hydroxides have structure based on naturally occurring material brucite (Mg(OH)2).In the first part of the thesis (Chapter I and II), various synthesis methods were used to produce Ce3+ and Eu3+ doped polycrystalline YAG samples to investigate their effect on powder characteristics. 1, 5 and 10% doped samples were prepared by hydrothermal, citrate, solid-state and co-precipitation methods. Both normal-strike and reverse-strike routes of co-precipitation method were conducted. TGA/DTA analysis showed that the samples were crystallized after 900˚C. Therefore, produced samples were calcined at different temperatures ranging from 900˚C to 1300˚C. XRD patterns of the samples showed that pure YAG phase was able to be achieved via reverse-strike route and citrate method at 900˚C while it was not possible with other methods at 900˚C. Intermediate phases YAM andivYAP were not observed in reverse-strike or citrate methods. Also the effects of single and multiple step calcinations were investigated. YAG precursors were calcined at 900˚C and 1200˚C for several times. FESEM images showed that calcination temperature had little effect on grain growth on amorphous samples as long as the temperature is higher than the crystallization threshold. However, temperature increase enhanced the grain growth when samples were crystallized by a pre-calcination step. Pure YAG powders were doped with 0.28 wt% SiO2 and slip casted for shaping. After 8h of sintering at 1750˚C under 10-5 Torr vacuum, 50% transparency in the visible region was achieved.In the second part of the thesis (CHAPTER III), SDS intercalated Zn(OH)2 layered materials synthesized by hydrothermal method using HMT at 90˚C. Different HMT amounts were tried ranging between 0.002 mol and 0.012 mol per 0.002 mol starting salt, Zn(NO3)3. Samples without SDS were also produced to investigate the effects of the surfactant. The samples contained 1, 5 and 10% Ce3+ ion. FESEM results showed that samples were formed into nanosheet morphology with the addition of SDS. With the increasing reaction time sheets rolled up into a conic morphology. Samples contained no SDS yielded hexagonal rod-like morphology which is well documented in the literature. XRD results showed that samples can be crystallized into ZnO at 90˚C without the addition of SDS. However, this was not possible with the samples with SDS as all intercalated samples were in hydroxide form. With the increasing HMT amount the samples showed a significant particle growth. 124

Bu çalışma temel olarak hidrotermal şartlar altında gerçekleştirilen elektrokimyasal sentez yöntemini (HED), güneş enerjisiyle elektrik ve hidrojen üretimi için yarı-iletken metal oksit filmlerin geliştirilmesinde bir araç olarak araştırmayı hedeflemektedir.Tezin ilk kısmı, çeşitli parçacık boyutu ve şekline sahip ZnO filmlerin HED ile hazırlanmasına ayrılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal sentez yöntemini görünür ışığı soğuran parçacıkları ZnO üzerine daha iyi elektrik temas sağlayacak şekilde kaplamak için kullanarak, daha yüksek verimde çalışan güneş pilleri tasarımları oluşturmak hedeflenmektedir. HED ile Zn(NO3)2 (ve de KCl) derişiminden bağımsız olarak tek boyutlu ZnO çubuklar oluşturulduğu gözlenmiştir; Zn(NO3)2 derişimi, elde edilen çubukların çapını kontrol etmektedir. Zn(NO3)2'ın başlangıç derişimi arttırıldıkça çubuk çapının arttığı ve c-ekseni doğrultusunda büyümenin hızlandığı görülmüştür. Bununla birlikte, c-ekseni yönelimi ve çubuk çapı arttıkça foto-elektrokimyasal duyarlılık artmaktadır. ZnO100/CdS21 ile 2,08 mA/cm2 akım yoğunluğu, -1,32 V potansiyel ve toplam % 0,93 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştir.Yarı-iletken elektrotların boyut, şekil ve parçacık bağlantıları gibi morfolojik özellikleri genellikle fiziksel özelliklerini etkilediği için, çok kristalli elektrotların morfolojik özelliklerini anlamak ve kontrol edebilmek son ürünün verimini arttırmada büyük önem taşır. Bu nedenle, HED ve parçacık büyümesini etkileyen moleküllerin sinerjisiyle çeşitli şekilde ZnO yapıların hazırlanması da tartışılmıştır. Başlangıç çözeltisi içerisindeki [MnCI2] ayarlanarak, ZnO çubukların çaplarının ayarlanabilir olduğu gösterilmiştir. Başlangıç çözeltisi içerisindeki [Cd(CH3COO)2/Zn(II)] oranı ayarlanarak, HED ile tek adımda hiyerarşik ZnO mimariler elde edilmiştir. HED ile ZnO matris üzerinde yoğun olarak kobalt içeren küreler büyütülerek heterojen ZnO-Co nano-parçacıklar oluşturulmuştur. Faz ayrımının derecesinin, çözelti içerisindeki Co(II) miktarı ile kontrol edilebildiği gözlenmiştir.Elektrokimyasal sentez yöntemi, ZnO filmleri CdS ve Ag2S ile kaplamak için hızlı ve ucuz bir alternatif olarak çalışılmıştır. CdS ile kaplı filmlerin foto-elektrokimyasal verimleri görünür ışığı soğuran malzeme arttıkça arttığından, CdS kaplama süresi ile arttığı gözlenmiştir. Kaplama süresi arttırıldıkça bir noktadan sonra elde edilen foto-akım azalmıştır. Mn_CdS/ZnO ile 1,42 mA/cm−2 akım yoğunluğu, -1,39 V potansiyel ve toplam % 0,81 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştir. Ag2S/ZnO foto-elektrodları çok daha geniş bir aralıkta daha yüksek ışık soğurma kabiliyeti sergilemiştir. Yine de büyük olasılıkla kaplama sırasında ZnO çubukların yapıları bozulduğu için, güneş-elektrik enerji dönüştürme verimleri düşüktür. Bunların yanı sıra daha verimli güneş pilleri geliştirmek adına elektrokimyasal sentez ile üretilmiş CdS-ZnS tampon katmanların foto-elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. En yüksek performans gösteren film ile 1,31 mA/cm2 akım yoğunluğu, -0,99 V potansiyel ve toplam %0,6 güneş-elektrik enerji çevirme verimi elde edilmiştirTezin ikinci kısmı HED ile hazırlanmış α-Fe2O3 filmlerin fiziksel ve foto-elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesine ve HED ve parçacık büyümesini etkileyen moleküllerin sinerjisiyle çeşitli büyüklük ve şekillerde α-Fe2O3 sentezine ayrılmıştır. Literatürde rapor edilen elektrokimyasal sentezlerden farklı olarak, HED ile ısıl işleme gerek kalmadan kristalin α-Fe2O3 fazı elde edilebildiği gözlenmiştir. Foto-elektrokimya testleri, HED ile hazırlanan filmlerin daha yüksek performans verdiğini göstermiştir. 0,05 M FeCl2 ve 0,1 M NaCH3COOH içeren çözeltiden, HED ile hazırlanan film 0,1 M NaOH içinde, 1,23 V potansiyelde (vs NHE) 23,6 µA/cm2 akım yoğunluğu üretmiştir ve foto-akım üretimine 0,96 V'da başlamıştır. Bunların yanı sıra, HED çözeltisine değişik miktarlarda CH3COO-, Ce3+ ve F- eklenerek; solucan benzeri, küresel, rombohedral, plaka ve en-boy oranı kontrol edilebilen kare prizma şeklinde α-Fe2O3 parçacıkları elde edilmiştir. Main objective of this study is to explore hydrothermal-electrochemical deposition (HED) as a means of developing semiconductor metal oxide films as photoelectrodes for electricity and hydrogen production with solar energy.The first part of this dissertation is devoted to preparation of ZnO films of various size and shape as efficient photoelectrodes by manipulating HED parameters and using electrodeposition as a means to coat sensitizers on ZnO with better electrical contact for cells with enhanced performance. It was observed that 1-D ZnO rods are obtained regardless of precursor (and/or KCl) concentration via HED and the adjustment of concentration provides control on the rod diameter. Increasing precursor concentration resulted in enhanced c-axis orientation and increase in the rod diameter. Moreover, photoelectrochemical sensitivity is enhanced both with improved c-axis orientation and increased rod diameter. A short circuit current density of 2.08 mA/cm2 and an open circuit potential of -1.32 V have been achieved for the ZnO100/CdS21 electrode resulting in an overall solar-electrical energy conversion efficiency of 0.93 %.Since morphological details of a semiconductor electrode such as size, shape, and connectivity of the particles often dictate physical properties, understanding and controlling the morphological aspects of polycrystalline electrodes is critical in producing highly efficient devices. Hence, preparation of ZnO structures in various shapes in synergistic effect of the growth-modifier molecules and HED is also demonstrated. It has been presented that by adjusting [MnCl2] in deposition bath, diameters of rods can be tuned. HED also provides a single-step synthesis route for hierarchical ZnO architectures by modifying [Cd(CH3COO)2/Zn(II)]. HED allows growth of heterogeneous ZnO-Co nanostructures with Co-rich spheres on a zinc rich matrix, where the degree of phase separation and the quantity of the initial Co rich spheres are determined by Co(II) concentration. Electrochemical deposition is studied as a quicker and cheaper alternative to deposit CdS and Ag2S coatings on ZnO nanorod arrays. Photoresponse tends to increase with deposition time for CdS coatings due to the increased amount of visible-light sensitive CdS on ZnO film. However, generated photocurrent is reduced by prolonged deposition. A short circuit current density of 1.42 mA/cm2 and an open circuit potential of -1.391 V have been achieved for the annealed Mn_doped CdS/ZnO electrode resulting in an overall power conversion efficiency of 0.81 %. Ag2S/ZnO photoelectrodes exhibit considerably increased and widened light absorption but lower power-conversion efficiency, most probably due to ZnO degradation during deposition step. Furthermore, in an effort to produce buffer layers for solar cells with enhanced photoactivity, photoelectrochemical properties of mixed semiconductor CdS–ZnS films synthesized by electrochemical deposition is explored. The best performing film exhibited a short circuit current density of 1.31 mA/cm2 and an open circuit potential of -0.99 V with an overall power conversion efficiency of 0.6 %.The second part of this thesis is devoted to investigate physical and photoelectrochemical properties of α-Fe2O3 films grown by HED and to the synthesis α-Fe2O3 particles of varying size and shape via HED in the presence of growth-modifier molecules. It is discovered that HED enables production of crystalline α-Fe2O3 phase without thermal annealing as opposed to electrodepositions reported at ambient temperature. Photoelectrochemical studies demonstrated that higher performance can be obtained with the films prepared via HED. Net photocurrent density of 23.6 µA/cm2 is obtained in 0.1 M NaOH under 1 sun conditions at 1.23 V vs NHE with the film prepared from a bath containing 0.05 M FeCl2 and 0.1 M NaCH3COOH via hydrothermal-electrodeposition with a photocurrent onset potential of 0.96 V vs NHE. Moreover, α-Fe2O3 with different morphologies, including worm-like, spherical, rhombohedral, square planar particles, and platelets, were obtained when HED is used together with growth-modifying species such as CH3COO-, Ce3+ and F-. 211