Search

Deniz ulaşımı en eski çağlarından beri gelişmekte olan önemli bir ulaşım türüdür. Çeşitli amaçlar doğrultusunda üretilen yüzer araçlarda optimum dengeyi yakalamak adına ve daha verimli, daha konforlu ve daha emniyetli tasarımlar ortaya koyabilmek için matematikçiler ve mühendisler tarafından yapılmış bir çok çalışma bulunmaktadır.Gemi tasarımı hidrodinamik, yapısal analiz ve stabilite gibi birçok alt başlığa sahip olduğundan ötürü bu karmaşık yapının tasarımının tamamlanmasında birden fazla takım veya departmanın disiplinlerarası bir takım çalışması ortaya koyması gerekmektedir. Bu yüzden yüzer taşıtların çeşitli kısımlarının tasarımında karşılaşılan en karmaşık sorunların analizi ve bu sorunlara makul kabuller içeren çözümler üretebilmek adına günümüze kadar sayısız çalışmalar yapılmıştır.Bir geminin su altı formunun tasarımı ve optimizasyonu söz konusu olduğunda hidrodinamik özellikler ön plana çıkmaktadır. Bir geminin hidrodinamik özellikleri tekne formunun suya adaptasyonunu etkiler ve böylece operasyonel durumda karşılaştığı direnç miktarı, efektif makina gücü ve istenilen seyir hızını sağlamak için gerekli olan pervane tasarımı, yakıt tüketimi ve manevra karakteristiği gibi konularla ilişkilenir. Bu özellikler geminin inşaa sürecinden ziyade servis ömrü boyunca sahip olacağı ekonomik özelliklerini temsil ettiğinden ötürü, hiçbir armatörün ekonomik olmayan bir gemiyi tercih etmeyeceği de göz önünde bulundurulduğunda hidrodinamik dizaynın gemi tasarımındaki en önemli başlıklardan biri olduğu anlaşılabilmektedir.Günümüze dek farklı gemi türlerinin tekne formlarının tasarımında karşılaşılan problemlere bir çok çığır açan çözüm üretilmiştir. Bu çözümlere verilebilecek örneklerden biri balblı baştır. Balblar gemi baş formunun akımla karşılaştığı esnada ortaya çıkan baş dalgalarına zıt dalgalar üreterek bu dalgaların sönümlenmesini sağlarlar. Böylece geminin karşılaştığı toplam dalga direnci düşer ve buna bağlı olarak daha yüksek seyir hızlarına ulaşılır ve daha düşük yakıt tüketimi sağlanır.Farklı türlerdeki gemilerin su altı şekillerinde de çeşitlilik görülmektedir. Örneğin bir ham petrol tankerinin yüksek kargo kapasitesi ve optimum hızı sağlamak için dolgun bir orta kesiti bulunurken yüksek seyir hızı ve yüksek manevra kabiliyetine ihtiyaç duyan savaş gemilerinin orta kesitleri ham petrol tankerlerine kıyasla daha narin olmaktadır. Her tür gemi için kendilerine has tekne geometrilerinden bağımsız olacak şekilde gereksinim ve performans dengesi sağlanmalıdır. Bu durum da hidrodinamik tasarımın önemini vurgular niteliktedir.Hidrodinamik tasarım ve tekne formu optimizasyonunda şirketlerin kendi ihtiyaçları doğrultusunda kullandıkları çeşitli yazılımlar mevcuttur. Başlangıç tasarım süreci yüzey modelleme işlemleri için Rhinoceros ve Napa başlıca örneklerdendir. Direnç analizi aşaması için ise Maxsurf resistance, Ansys fluent ve OpenFOAM yazılımları örnek verilebilir. Ayrıca çoğunlukla sakin su direncini düşürme ve dalga düzenlerinin analizinde kullanılan hidrodinamik optimizasyon odaklı bir çok CFD aracı bulunmaktadır. Bu araçların geliştirilmesi ve kullanılması üzerine yapılmış bir çok çalışma literatürde yer almaktadır. Belirli kısıtlar çerçevesinde bir tekne yüzeyi oluşturmak ve düzenlemek karmaşık bir işlem olduğundan ötürü tasarımcılar bu süreci otomatik hale getirebilen yazılımları kullanmaya eğilim göstermektedirler.Bu çalışmada Rhinoceros programının Grasshopper eklentisi kullanılarak tekne yüzeyi düzenleme işleminin belirli bir kısmını otomatik hale getiren bir kod geliştirilmiştir. Kod aynı zamanda Michell.exe adında bir direnç tahmini programıyla bağlantılı hale getirilmiştir ve birlikte başlangıç tasarım aşamasında faydalı olabilecek bir otomatik yüzey düzenleme ve direnç hesaplama programı oluşturulmuştur.Yaygın şekilde kullanılan bir program olması, eğimli objelerle çalışma konusunda tutarlı bir performans sunabilmesi ve kullanılabilirliği sebebiyetiyle bu çalışmada Rhinoceros yazılımı tercih edilmiştir. Grasshopper, Rhinoceros programına parametrik tasarım özelliği katan bir eklentidir. Rhinoceros ortamında yapılabilen işlemlerin büyük bir kısmı Grasshopper ortamında da yapılabilmektedir. Aynı zamanda iki yazılımın birçok komutu aynı veya benzerdir.Programlar Grasshopper komutlarının sunulan alana sürüklenmesi ve birbirleri arasında bağlantı kurulması şeklinde oluşturulur. Komutların girdi kısımlarına istenen bir geometri, sayı veya bir sayı kaydıracı bağlanabilmektedir. Sayı kaydırıcıları değişken bir girdiyi temsil eder ve limitleri ile hassasiyeti ayarlanabilmektedir. Bu sayede tamamlanmış bir tasarım üzerinde sonradan yapılmak istenen değişiklikler kolaylıkla yapılabilir. Ayrıca Grasshopper ortamında oluşturulmuş bir tasarım Rhinoceros ortamına kolaylıkla aktarılabilir.Grasshopper komutları matematik, diziler, vektör, eğri, yüzey, kesişim, dönüşüm gibi ana başlıklar altında toplanmıştır. İsteğe bağlı olarak programa dahil edilebilen farklı komut grupları da bulunmaktadır. Üç boyutlu modelleme dışında çeşitli disiplinlere yönelik fonksiyonları da bünyesinde barındırdığı için yapısal mühendislik, mimarlık ve sanat gibi alanlarda da kullanılabilmektedir.Oluşturulmuş olan program ile üzerinde çalışılmak istenen tekne formu Grasshopper'a tanımlanır. Form üzerinde düzensiz ölçeklendirmek işlemi yapılır ve ana boyutlar analiz edilir. Sonraki aşamada ise kullanıcıya kesit değişimi ile yüzey manipülasyonu imkanı sunan kod bileşeni bulunmaktadır. Bu bileşenin ardından sırasıyla lineer boy verme ve direnç tahmini bileşenleri yer almaktadır. Direnç tahmini aşamasında nihai tekne formunun kullanıcının belirlediği sayıda su hattı ve posta sayısına göre yarı genişlik değerleri analiz edilir ve bu değerler kendi içlerinde belirli gruplar haline getirilip düzenlenir. Bu düzenleme işlemi sonrasında Michell.exe programının girdi dosyalarının formatına uygun hale getirilmiş değerler ilgili dosyalara aktarılır. Programın sunduğu tüm özellikler tek bir tasarım üzerinde aynı anda kullanılabileceği gibi istenen bir form üzerinde sadece tek bir fonksiyonu da uygulanabilir.Bu program ile bir tekne formu üzerinde üç farklı yüzey düzenleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada düzensiz ölçeklendirme, kesit değişimi ile yüzey işleme ve lineer boy verme işlemleri tek bir tekne formu üzerinde ayrı ayrı uygulanmıştır. Orijinal formun ve düzenleme işlemleri sonrasında elde edilen formların direnç değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen direnç değerleri orijinal formun direnç değerleriyle kıyaslanmış ve çalışmanın sonuçları doğrultusunda yorumlar yapılmıştır. As many differing transportation options, marine transportation has been a vital and growing way of transportation since the earliest ages of humanity. Mathematicians and engineers have been studying to enhance and develop better, more efficient, more comfortable and more trustworthy designs to obtain the optimum balance for varying purpose floating veichles.Since ship design has many subbranches such as hydrodynamic design, structural design, stability design and etc, more than one team or department have to exhibit an interdiciplinary teamwork to overcome this complex task. Thus, numerous studies have been made until today to analyze the most complicated problems faced during the designation of varying parts of floating veichles and to provide solutions based on reasonably acceptable ways by mathematicians and engineers who have specialized on differing branches.Speaking of underwater form design and optimization of a vessel, hydrodynamic properties are the foregrounding features. Hydrodynamic performance of a vessel affects the adaptation of its hull form with water and thereby it directly influences the resistance amount faced during the operation, efficient machinery power and suitable propeller design to maintain the desired cruise speed, fuel consumption and maneouvrability characteristics. Since these features mostly represent the economical properties of a ship not during its building process but especially its service life, hydrodynamic design is one of the most important parts of ship design when it is also considered that any ship owner would not prefer a vessel which is not cost-effective. There have been many groundbreaking solutions provided to the problems faced during many hull form designs for various ship types until today. Bulbous bows are one of the examples to these solutions, which create an opposing wave pattern to the bow waves that occur at the fore part of the ship while operational and absorbs them. Thus it lowers the total amount of wave resistance that the ship faces and correspondingly provides higher cruise speeds and lower fuel consumptions at the design speed. There are also many different underwater shapes for varying purpose of vessels. For instance a VLCC has a fuller mid-section and hull form to provide a large cargo space and cruise speed optimization where a naval ship has a thinner hull form compared to a VLCC to maintain higher cruise speeds and maneouvrability. For all types of ships, notwithstanding to their specific hull shapes, the balance between requirements and performance has to be met, which puts the importance of hydrodynamic design on the table.There are many softwares used by companies according to their specific needs for hydrodynamic design and hull form optimization. Rhinoceros and Napa are the examples for surface modelling at initial design, where Maxsurf resistance, Ansys fluent and OpenFOAM are some of the examples for resistance calculation step. Also there are many CFD tools used for hydrodynamic optimization, mostly for reducing calm-water drag and wave patterns, by which many studies have been made until today and can be found in literature. Since building and editing a hull surface within some certain constraints, especially manual editing, is a complex work all by itself, the use of automated software is a growing tendency by designers. In this study a script has been developed by using Grasshopper plug-in for Rhinoceros, which automates some part of the hull surface editing process. The script is also linked with a resistance prediction program called Michell.exe and together they provide automated surface editing and resistance prediction as an initial design utility program. Three different surface manipulation procedure has been applied to a single hull form with this program and resistance prediction values have been compared with the original form. Comments have been made on the obtained results. 104

Gemi gövdesi üzerinde direnci azaltmak için birçok farklı enerji tasarrufu sağlayan takıntılar kullanılmaktadır. Bu sistemlerden bir tanesi de gemi ayna kıçına enine sabitlenen hidrofoil kanat şeklindeki patentli tekne kıç kanadıdır (Hull Vane). Gemi kıç geometrisinden dolayı ivmelenerek gelen akış kanat üzerinde kaldırma ve direnç kuvvetlerini oluşturur. Kaldırma kuvvetinin yatay bileşeni direnç kuvvetinin yatay bileşeninden daha fazla olması sebebiyle geminin ilerleme doğrultusuna doğru ilave bir kuvvet oluşturur. Ayrıca kanat üzerindeki kaldırma kuvveti, geminin kıça trimini engelleyerek geminin dizayn su hattında yüzmesini dolayısı ile performansının artmasını sağlar. Bir diğer değişim ise gemi kıç dalga sisteminde meydana gelir. Kanadının emme yüzeyinde ki düşük basınç alanı ile gemi kıç bölgesinde ki yüksek basınç alanı çakışır. Böylece kıç dalga sisteminde ki dalga tepeleri ve dalga çukurları sönümlenir. Yukarıda belirtilen etkiler sonucunda tekne kıç kanadı kullanılması durumunda gemi direnci önemli ölçüde düşürülür. Daha önce ki çalışmalarda, gemi direncini daha da düşürebilmek için kanadın pozisyonu ve uzunluğuna dair patent sahibi şirket içerisinde optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Kanadın kesit şeklinin gemi direncine olan etkisinin önemli olmayacağı düşünülerek detaylı bir optimizasyon çalışması yapılmamıştır. Bu çalışma kapsamında viskoz akış çözücü kullanılarak, boyut indirgeme analizi ve makine öğrenmesi olmak üzere veri odaklı teknikler yardımıyla gemi direncini daha da düşürebilmek için tekne kıç kanadının kesit şeklinin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tekne kıç kanadının kesit şeklini oluşturmak için daha önce 2 boyutta bir hidrofoilin şekil optimizasyonu için temel dizayn parametrelerine bağlı olarak hazırlanmış VBScript programlama dilinde ki parametrik model kod kullanılmıştır. Parametrik kodu oluşturan temel dizayn parametreleri hidrofoilin maksimum kalınlığı, kamburluğun maksimum kalınlığı, maksimum kalınlığın boyuna konumu, kamburluğun maksimum kalınlığının boyuna konumu, ayrılma kenarının yatay düzlem ile arasında ki açı, kamburluğun ayrılma kenarının yatay düzlem ile arasında ki açı ve baş taraf form faktörü olmak üzere yedi adettir. Ardından NACA 4412 profilinin parametrik model kodundaki dizayn parametrelerinin değerleri belirlenmiştir. NACA 4412 profilinin dizayn değerlerinin %20, %30 ve %40'ı olacak şekilde dizayn parametrelerinin alt ve üst sınır değerleri belirlenmiştir. Daha sonra düzgün rastgele dağılım ile 1000 adet verinin yarısı %20'lik sınır değerleri içerisinde, %30'u %20-%30 sınır değerleri arasında ve geriye kalan %20'si ise %30-%40 sınır değerleri arasında oluşturulmuştur. Veri setinin bu şekilde sıralı sınırlar içerisinde oluşturulmasının sebebi tek bir nokta etrafında yoğunlaşmasını engelleyerek düzgün rastgele dağılmasını sağlamak olmuştur. Oluşturulmuş çok değişkenli veri setinin içerisindeki bilgiyi daha az değişkenle ve minimum geometrik bilgi kaybıyla açıklamak için Temel Bileşen Analizi (PCA) tekniği uygulanmıştır. Analiz sonucunda kesit şeklini oluşturan 7 temel dizayn parametresinin yerine ilk iki temel bileşen (değişken) tarafından kesit şekli %85.5 geometrik varyasyon ile temsil edilebilmektedir. Ardından yukarıda açıklanan aynı teknik kullanılarak 100 adet veri düzgün rastgele dağılım ile temel bileşen uzayında oluşturulmuştur. Parametrik model kod yardımıyla veriler kullanılarak kıç kanadı örnekleri oluşturulmuş aynı parametrik model kod içerisinde gemi arkasına entegre edilmiştir. Gemi ile birleştirilmiş her bir kıç kanadı örneğinin viskoz analizi hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yardımıyla gemi toplam direncini hesaplamak için gerçekleştirilmiştir. HAD analizleri için açık kod kaynaklı OpenFOAM yazılımı kullanılmıştır. Hesaplamalı çalışma 3 boyutta, sıkıştırılamaz, zamana bağlı Reynolds Ortalaması Alınmış Navier-Stokes (URANS) denklemlerinin çözümü için sonlu hacim yöntemi ayrıklaştırması ile yürütülmüştür. Türbülans modeli olarak SST k-ω, zaman ayrıklaştırması için birinci derece kapalı şema, basınç-hız eşleştirmesi için daha fazla hesaplama zamanı gerektiren ancak daha stabil sonuçlar veren PIMPLE algoritması tercih edilmiştir. Analizler gerçek deney koşullarını modellemek amacıyla hava-su olmak üzere çift fazda, geminin baş kıç vurma ve dalıp çıkma hareketleri serbest bırakılarak gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda çift fazlı, sıkıştırılamaz ve birbirine karışmayan gemi etrafında ki akış, VOF tekniği yaklaşımı ile aynı zamanda çözüm ağı topolojisini değiştirerek gemi hareketlerini modelleyebilen, OpenFOAM kütüphanesinde ki `interDyMFoam` çözücüsü ile modellenmiştir. Temel bileşenler cinsinden oluşturulan tekne kıç kanadı örnekleri ve karşılık gelen HAD analiz sonuçlarından elde edilen gemi toplam direnç değerleri ile makine öğrenme modelinde kullanılacak veri seti oluşturulmuştur. Bu çalışmada makine öğrenmesi modeli olarak MATLAB yazılımının yapay sinir ağları (ANN) araç kutusu kullanılmıştır. Veri setinin %75'i eğitim sürecine ayrılmıştır. Algoritmanın içerisinde ki ağırlık katsayılarının ayarlanması ile ANN modeli eğitilmiştir. Eğitim sonucu elde edilen modelin tahmin değerleri ile sonuçlar aşırı uyum içerisinde ise başka bir veri seti için doğru olmayan tahminler oluşturacaktır. İkinci aşama olan doğrulamada, ağırlıkların ilk tahmin değerleri ya da aktivasyon fonksiyonunun türü deriştirilerek aşırı uyum problemi engellenir. Bu aşamada veri setinin %15'i kullanılmıştır. Son aşamada, eğitilen yapay sinir ağları modeli diğer aşamalardan bağımsız olarak veri setinin %10'u ile test edilmiştir. Eğitimi ve testi tamamlanmış yapay sinir ağları modelinin tahmin sonuçları ile HAD analizlerinin sonuçları arasında ki lineer regresyon eğrisi incelenmiştir. Regresyon eğrisinin eğiminin 1'e oldukça yakın olduğu dolayısı ile başarılı bir ANN modelinin kurulduğu gösterilmiştir. Optimizasyon sürecinde de MATLAB'ın yardımcı yazılımı kullanılmıştır. Gemi direncini minimize etmek amacıyla kıç kanadının kesit şekli optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. ANN modelinden elde edilen fonksiyon optimizasyon aşamasında amaç fonksiyonu olarak kullanılmıştır. Ardından geometriyi temsil eden temel bileşenlerin sınırları probleme tanıtılmıştır. Optimizasyon sonucunda gemi toplam direncinin yerel minimum değeri ve karşılık gelen temel bileşen değerleri elde edilmiştir. Optimum temel bileşenlerden elde edilen tekne kıç kanadının tekrar HAD analizi geçekleştirilmiştir. ANN amaç fonksiyonun optimizasyon sonucu ile HAD analizinin sonucu arasında ki bağıl fark %0.24 tür. Başlangıçta kullanılan kıç kanadı ile gemi toplam direnci %17.81 azaltılırken optimizasyon sonucunda elde edilen kıç kanadı ile direnç %1.2 daha da azaltılmıştır. Ayrıca gemi kıç bölgesinde ki dalga yüksekliğinin önemli derecede azaldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, zaman açısından pahalıya mal olan, değerlendirme aracı olarak viskoz akış çözücüsü kullanıldığı takdirde optimizasyon süresini düşürmeye yönelik bir metodoloji sunulmuştur. Boyut indirgeme analizi yardımıyla çok boyutlu bir veri seti, minimum bilgi kaybı ile daha az değişkenle temsil edilebilir. Bu sayede, girdi boyutu düşürülen yapay sinir ağları algoritması daha az sayıda veri ve yüksek başarı ile eğitilebilir. The patented Hull Vane, the energy saving appendage, is used to reduce the ship resistance. It is a hydrofoil wing transversely fixed at the transom bottom of the ships. A negative pressure zone, which helps to reduce the stern wave, appears on the suction side of the Hull Vane due to the accelerated flow from the aft of the hull. In the current study, shape optimization of the Hull Vane section is performed by implementing data-driven techniques in order to further reduce the total resistance of the ship. The section shape is modified with reference to the NACA4412 hydrofoil by parametric model code operating with 7 design parameters. Principal component analysis (PCA), which decreases the design space dimensionality, is implemented on the sample set created within the bounds of design parameters. The section shape of the Hull vane can be represented with 85.5% geometric variance by the first two principal components (PCs) instead of 7 design parameters. A series of hydrofoil instances are created to be evaluated by means of the viscous flow solver. The total resistance values of the ship corresponding to the design variables (PCs) are computed in order to create a dataset to the machine learning model. Artificial neural network (ANN) that is utilized as the machine learning model is trained in order to imitate the numerical flow solver. The function obtained from the trained model is operated as the objective function in the optimization process.Since the viscous flow solver is expensive in terms of evaluation time, this study provides an effective methodology to shorten the optimization process using the viscous flow solver as the evaluation tool. The number of function evaluations required for optimization is reduced with the help of PCA. In other words, the ANN is able to be trained with less dataset as the input dimensionality of the data is reduced. 72