serbest akım türbülansının pervanelerdeki kavitaston başlangıcı ve

serbest akım türbülansının pervanelerdeki kavitaston başlangıcı ve

Yapım Matbaacılık Ltd., İstanbul, 1999
Editörler :A. İ. ALDOĞAN
Y. ÜNSAN
E BAYRAKTARKATAL
GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ
TEKNİK KONGRESİ 99 – BİLDİRİ KİTABI
SERBEST AKIM TÜRBÜLANSININ PERVANELERDEKİ
KAVİTASYON BAŞLANGICI VE GÜRÜLTÜ ÜZERİNDEKİ
ÖLÇEK ETKİSİ
Emin KORKUT1, Mehmet ATLAR2, A. Yücel ODABAŞI3
ÖZET
Pervanelerdeki kavitasyon başlangıcı ve gürültü üzerindeki viskozite ile ilgili ölçek
etkileri sistematik olarak deneysel bir çalışma ile incelenmiştir. Bu çalışmada, Meridian
tip bir pervanede oluşan kanat ucu girdap ve şerit kavitasyonu ve pervane gürültüsü
ölçülmüş ve bunlar üzerindeki serbest akım türbülansının, önder kenardaki
pürüzlülüğün ve sudaki çözünmüş gaz oranının etkileri araştırılmıştır. Bu makalede,
Newcastle upon Tyne Üniversitesi Marine Technology Bölümü Kavitasyon Tünelinde
üstteki parametrelerin etkilerinin araştırılması ile ilgili yapılan deneylerin sonuçlarının
bir bölümü sunulmaktadır. Serbest akım türbülans düzeyleri gözenekli tel perdeler
kullanılarak değiştirilmiş ve iki boyutlu Laser Doppler Anemometry (LDA) kullanılarak
da ölçülmüştür. Önder kenar üzerindeki pürüzlülük ise değişik yüksekliklerde zımpara
malzemesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kavitasyon başlangıcı ve gürültü
deneylerinin sonuçları sistematik olarak sunulmakta ve gözlemlenen eğilimler
türbülans, pürüzlülük ve çözünmüş gaz oranı yönünden tartışılmaktadır. Sonuçların
analizi göstermiştir ki, benzer kavitasyon başlangıç sayısını etkileyen serbest akım
türbülans düzeyi ile pürüzlülük arasında bir bağlantı kurmak olasıdır. Bu ise önder
kenara pürüzlülük uygulamak yerine uygun bir serbest akım türbülans tekniği
kullanarak model pervane deneylerindeki ölçek etkisini azaltmada kullanılabilecektir.
1
Dr., İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Gemi İnşaatı Bölümü, Ayazağa80626, İstanbul, Türkiye
2
Dr., Department of Marine Technology, University of Newcastle upon Tyne,
Newcastle upon Tyne NE1 7RU, U.K.
3
Prof. Dr., İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Gemi İnşaatı Bölümü,
Ayazağa-80626, İstanbul, Türkiye
194
GİRİŞ
Kavitasyon pervanelerin çalışma ömrünü, gürültüsünü ve titreşimini etkileyen bir
akışkanlar mekaniği olayıdır. Çeşitli tipleri içinden kanat ucu girdap (tip vortex)
kavitasyonu pervanelerde ilk görülen kavitasyon çeşididir ve zaman içinde şerit (sheet)
kavitasyona dönüşür. Bu nedenle pervane dizaynı sırasında kavitasyonun pervane
performansına etkisini en aza indirmek çok büyük önem kazanmaktadır. Bu ise
kavitasyonun ne zaman ortaya çıkabileceğini önceden tahmin etmek için hassas bir
yöntemin gerekli olduğunu göstermektedir.
Pervanelerdeki kavitasyounun başlangıcını ve gürültüsünü tahmin eden mevcut
yöntemler kavitasyon tünellerinde yapılan model deneylerine dayanmaktadır. Model
deneyleri ise karmaşık ölçek olayının etkisi altındadır. Ölçek etkileri 18th International
Towing Tank Conference (ITTC) tarafından akımın viskozitesi, kabarcık dinamiği ve
yerçekiminden dolayı oluşan etkiler olmak üzere 3 ana gruba ayrılmıştır [1].
Bunlardan viskoz ölçek etkisi serbest akımdaki türbülans ve pervanelerin yüzey
pürüzlülüğü ile yakından ilşkilidir. Model pervaneler genellikle düşük Reynolds
sayılarında çalışmakta ve yüzey üzerinde geniş bir laminer sınır tabaka ve laminer
ayrışım göstermektedir. Buna zıt olarak gemi arkasındaki pervaneler yüksek Reynolds
sayılarında ve tamamıyla türbülanslı koşullarda çalışmaktadırlar. Yüksek türbülans
düzeyi sınır tabakanın laminerden türbülansa geçişini hızlandırmakta bu da laminer
ayrışımın tamamen ortadan kalkmasına olanak sağlamaktadır. Arndt ve George [2]
laminer ayrışım ve sınır tabakanın laminerden türbülansa geçişinin kavitasyonun
başlangıcı üzerinde önemli etkileri olduğunu saptamışlardır. Huang [3] da türbülans
düzeyinin laminerden türübülansa geçişte ya da laminer ayrışım üzerinde etkisi olduğu
zaman kavitasyon üzerinde de etkili olabileceğini öne sürmüştür.
Bunun yanında serbest akım türbülansının etkisi çeşitli araştırmacılar tarafından
değişik cisimler kullanarak yapılan kavitasyon deneylerinde gösterilmiş ve önemi sınırlı
sayıda makalede belirtilmiştir. Keller [4] değişik tünellerde aynı cisimle yapılan
deneylerdeki kavitasyon başlangıcı sayısı üzerindeki farklılığın, tünellerdeki farklı
serbest akım türbülans düzeylerinden kaynaklandığını göstermiştir. Gates ve Acosta [5]
ITTC tarafından organize edilen elipsoid baş formu kullanılarak değişik tünellerde
yapılan deneyleri incelemişler ve sonuçlarda %300’e varan farklılıklar saptamışlardır.
Ayrıca, Gates ve Acosta [5] eksenel simetriye sahip 3 cisimle değişen serbest akım
türbülans düzeyinde gerçekleştirdikleri deneylerdeki farklılıkların nedenini türbülans
düzeyindeki değişmelere bağlamışlardır. Bu deneyler göstermiştir ki türbülans
düzeyinin artması laminer ayrışım noktasını önder kenara doğru kaydırmış bu da sınır
tabakanın tamamıyla türbülanslı olmasını doğurmuştur. Odabaşı [6] serbest akım
türbülansının kavitasyonun gelişmesinde önemli bir faktör olduğunu rapor etmiş ve
daha sonra da serbest akım türbülansının etkisinin pürüzlülük ve kabarcık dinamiği ile
birlikte sistematik olarak araştırılmasının gerektiğini iddia etmiştir [7]. Diğer taraftan,
Keller [8] de kavitasyon başlangıcının tünellerde ölçülmesi sırasında tünellerin
195
türbülans düzeylerinin genellikle sabit tutulmadığının, yada ölçülmediğini hatta dikkate
hiç alınmadığını ileri sürmüştür.
Kavitasyonun cisim üzerinde yada etrafındaki en küçük ortalama basınç civarında
oluşmasının gerekli olmadığı daha çok doğal sınır tabaka geçiş bölgesinde oluştuğu Pan
ve diğerleri [9] tarafından ortaya atılmıştır. Model ölçeğinde olduğu gibi türbülans
düzeyi çok düşük olduğu zaman yapay pürüzlülük kullanılarak değiştirilen sınır
tabakanın yapısı kavitasyonun başlangıcını etkileyebilmektedir. Bu yüzden yüzey
pürüzlülüğünün kavitasyon üzerindeki etkisi ölçek etkileri üzerindeki önemli araştırma
konularından birisi olmuştur. Ayrıca model ve tam ölçekli pervanelerdeki yüzey
farklılıklarının da ölçek etkisi olayına katkıda bulundukları rapor edilmişlerdir [10].
Serbest akım türbülansının aksine pürüzlülüğün kavitasyon olayına etkisi oldukça
geniş bir şekilde araştırılmıştır. Örnek olarak Holl [11], Kuiper [12], Shen [13], Huang
[3], Kim ve diğerleri [14] ve Pichon ve diğerleri [15]’ine bakılabilir. Bu araştırmalar
göstermiştir ki, önder kenar civarında uygun pürüzlülük kullanmak geçiş bölgesinin
önder kenara doğru hareket ettirilmesinde etkin bir mekanizma olabilir. Ayrıca Holl ve
Billet [16] yapıştırıcının pürüzlü yüzey ile düzgün yüzey arasındaki geçiş kenarının
yarattığı “Erken Kavitasyon” denilen istenmeyen bir olayıda gözlemlemişlerdir. Bu
nedenle bu tekniğin geniş olarak kullanılmasına rağmen uygun pürüzlülük yüksekliği,
pürüzlülük elemanının tipi ve uygulama yönteminin seçimi oldukça önem taşımaktadır.
Ölçek etkisine katkıda bulunan en önemli faktörlerden birisi kuşkusuzki kabarcık
dinamiğidir. Kabarcık dinamiği su içinde mevcut olan kabarcığın bileşenleri, sayısı ve
dağılımı ile yakından ilgilidir. Model ölçeğindeki kabarcık sayısının vb. nin gerçek
gemi çalıştığı ortamdakine göre az olması nedeniyle kavitasyon tünellerinde yapay
olarak kabarcık üretmek gereklidir. Bu ise özel bir kabarcık üretme yönteminin (Nuclei
Seeding yada Hydrogen Bubble Generator) ve aynı zamanda üretilen kabarcığın
ölçülmesinin (Venturi yada optik ölçüm sistemleri) gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır.
Kabarcık üretme ve ölçme sistemlerine sahip olmayan deney kuruluşları için suyun gaz
bileşeninin ölçülmesi kabarcık dinamiğinin karakterize edilmesi için kalan tek
yöntemdir denilebilir.
Suyun toplam gaz bileşenleri, çözünmüş ve çözünmemiş (serbest) olarak ikiye
ayrılabilir (bknz. [17 ve 18]). Serbest gaz bileşeni, kavitasyonu oluşturan kabarcık gibi
davranabilmekte, bunun yanında çözünmüş gaz bileşeni ise kabarcığın sayısı, boyutu ve
gelişimini etkileyebilmektedir. Bunun sonucu her iki gaz bileşeni kabarcık dinamiği
üzerinde önemli rol oynamakta ve bu ise akım içindeki basınç alanını ve dolayısıyla
kavitasyonun başlangıcını etkilemektedir. Gaz bileşeninin kavitasyon üzerindeki etkisi
çeşitli araştırmacılar tarafından incelenmiştir (bknz. [12, 19, 20 ve 21]). Baur ve
diğerleri [22] göstermiştir ki kabarcığın gelişimini etkileyen ana parametre difüzyon
süreci yani çözünmüş gaz bileşenidir. Tanibayashi ve digerleri [23]’de bir silindirin
kavitasyon başlangıç sayısının suyun çözünmüş gaz bileşeninin azaltılmasıyla doğru
orantılı olarak azaldığını deneyle ispatlamışlardır.
Kavitasyon kabarcığının etrafındaki basıncın artmasından dolayı oluşan sönüm
(collapse) şok dalgaları dolayısıyla gürültü ortaya çıkarmaktadır. Buna ayrıca
196
kavitasyon kabarcığının başlangıçtaki kavitasyonun ortaya çıkması (inception) sonucu
oluşan gürültüyüde eklemek gerekir. Dolaysıyla kavitasyonun gelişimini etkileyen ölçek
faktörlerinin gürültüyü de etkilediği sonucuna varılabilir.
Yukarıda sözü edilen araştırmalar göstermiştirki, serbest akım türbülansının
kavitasyonun başlangıcı ve gürültüsü üzerindeki etkisi pürüzlülük ve kabarcık dinamiği
dışında sitematik olarak incelenmelidir. Bunu yerine getirmek için bu konu üzerine bir
Doktora çalışması yapılmıştır [24]. Doktora çalışmasının ilk bulguları Korkut ve
diğerlerinde [25] bulunabileceği gibi, bu makalede de bu çalışmanın bir diğer bölümü
sunulmaktadır. Kabarcık dinamiğinin etkisini araştırmak için ek teçhizatlar
gerektirmesinden dolayı bu konu üzerinde ayrıntılı araştırma yapılmasının bir sonraki
çalışma konusu olarak ele alınmasının şu an için daha doğru olacağı sonucuna
varılmıştır. Ancak genede çözünmüş gaz bileşeninin etkisi serbest akım türbülansı ve
pürüzlülük ile birlikte incelenmiştir. Bundan sonraki bölümlerde deney düzenekleri ve
test koşulları verilmekte ve sonuçlar 3 parametrenin kavitasyon başlangıcı ve gürültü
üzerindeki etkisi yönünden tartışılmaktadır.
DENEY DÜZENEKLERİ VE TEST KOŞULLARI
Deneyler, 1.22 m genişliğinde ve 0.81 m yüksekliğinde büyük bir test kesitine
sahip Newcastle upon Tyne Üniversitesi’nin Emerson Kavitasyon Tünelinde iki grupta
yapılmıştır. Birinci grup deneyler, tünel suyunun değişen serbest akım türbülans
düzeylerinin etkisi altındaki türbülans dağılımının ölçülmesi ile ilgilidir. İkinci grup ise
bir model pervane ile yapılan farklı türbülans düzeylerinin ve kanat pürüzlüğünün
etkisindeki kavitasyon başlangıcı ve gürültü ölçümleri ile ilgili deneylerdir.
Tünelin test kesitindeki serbest akım türbülans düzeyleri 3 farklı boyutta gözenekli
tel perdeler kullanılarak değiştirilmiştir. Tel perdeler pervanenin deneyler sırasında
bulunduğu yerden 827 mm uzaklıkta yerleştirilen ve şekil 1 de gösterilen hidrofoil
kesitli bir taşıyıcı çerçeveye bağlanmışlardır. Eksenel ve yanal doğrultudaki türbülans
ölçümleri 1 ile 7 m/sn hız aralığında ve 350 mm x 380 mm boyutunda bir kesitte iki
boyutlu DANTEC Laser Doppler Anemometry (LDA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Tablo 1 kullanılan tel perdelerin gözeneklerinin boyutlarını ve U=4 m/sn de ki serbest
akım türbülans sonuçlarını göstermektedir. Türbülans deneylerinin ve analizinin
ayrıntıları [26]’da verilmiştir.
Pürüzlülük pervanenin iki yüzeyine önder kenardan itibaren maksimum kiriş
uzunluğunun %4’ü boyunda 3 değişik yükseklikte zımpara kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Zımpara malzemesi pervaneye HY956 Hardenerlı AY103 Araldite
Epoxy Resin ile de yapıştırılmıştır. Kullanılan zımpara yükseklikleri ise 35, 60 ve 100
µm dur.
197
U
Taşıyıcı
çerçeve
Tel perde
Şekil 1. Taşıyıcı çerçeve ve orta büyüklükteki gözenekli tel perdenin kavitasyon
tünelinin içindeki görünüşü (akım doğrultusuna ters yönden bakış)
Tablo 1. Kullanılan tel perdelerin gözeneklerinin boyutları ve U=4 m/sn de ki serbest
akım türbülans sonuçları
Türbülans yapıcı tipi
Gözenek boyutu (BxHxD)
(mm)
Taşıyıcı çerçeve
Serbest akım türbülans
düzeyi (%)
-
3.273
En büyük gözenekli perde
25.4 x 25.4 x 1.0
3.752
Orta büyüklükteki gözenekli perde
12.7 x 12.7 x 1.0
3.958
En küçük gözenekli perde
6.36 x 6.36 x 1.0
4.466
Deneyler için kullanılan model pervane 5 kanatlı, 240 mm çapında, orta çalıklı
(moderately skewed) ve sağ dönüşlü bir Meridian tip pervanedir. Aşağıda Tablo 2 de
pervanenin ana özellikleri verilmektedir.
Tablo 2. Model pervanenin ana özellikleri
Ana Özellikler
Çap, D, (mm)
240
Ortalama hatve, P, (mm)
220
Düzlenmiş açınım alanı, AE, (m2)
0.0325
Düzlenmiş açınım alanı oranı, B.A.R.
0.73
Hatve çap oranı, P/D
0.91
Maksimum kiriş uzunluğu, cmax, (mm)
Kanat sayısı, Z
79
5
Dönüş yönü
Sağ
Malzeme
Manganez Bronz
198
Pervanedeki kavitasyonun başlangıcı gözle saptanmıştır. Bunun için tünel akım
hızı ,U, 4 m/sn de sabit tutulmuş ve tünele sabit olarak bir vakum uygulanmıştır. Aynı
zamanda pervane devri başlangıçta pervane kanat ucu girdap (tip vortex) kavitasyonu
gözle tamamen görününceye kadar arttırılmıştır. Daha sonra devir, hızı pervane kanat
ucu girdap kavitasyonu görünür görünmez oluncaya kadar azaltılmış ve bu durum
“kanat uçlarına bağlanmayan girdap kavitasyonu” olarak kabul edilmiştir. Buna ek
olarak 3 ileri kavitasyon aşamasında daha gözlem yapılmış ve bağlı kavitasyon değerleri
kaydedilmiştir. Bu kavitasyon aşamaları: “bir kanat ucuna bağlanan girdap
kavitasyonu”, “bütün kanatlara tamamen bağlanan girdap kavitasyonu” ve son
aşama ise 0.8R a kadar gelişen “şerit kavitasyonu” dur.
Gürültü ölçümleri ise kavitasyon başlangıç deneylerini takiben yerine getirilmiştir.
Gemi arkasındaki dizayn çalışma koşullarını model ölçeğinde de benzetmek için
pervane dönme hızına bağlı kavitasyon sayısı, σn, dizayn ilerleme katsayısı, J=0.6 da
σn=2.0 olarak seçilmiştir [27]. σn ise aşağıdaki gibi tanımlanmıştır.
σn =
Pst − Pv
1
ρ( ND) 2
2
(1)
Burada, Pst referans noktasındaki statik basınç, Pv suyun buharlaşma basıncı, ρ suyun
yoğunluğu ve N ise pervanenin saniyedeki devir sayısıdır.
Emerson Kavitasyon tünelinde gürültü deneyleri sırasında tünelin eksenel hızına
bağlı kavitasyon sayısını (σu) kullanmak daha uygundur. Çünkü tünelin eksenel hızı
genellikle bu tür deneyler sırasında sabit tutulur. Ancak, pervane dönme hızına bağlı
kavitasyon sayısı (σn) pervane dönme hızının değiştirilmesi ile birlikte değişecektir. Bu
ise σn’nin sabit kalmasını tamamen ortadan kaldırmaktadır. Bu yüzden σn’i sağlamak
için gerekli vakum değerleri hesaplanmış ve aynı vakum değerleri deneylerde
uygulanarak karşılık gelen sabit σu değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca değişik çalışma
koşullarının ve kavitasyon sayısının etkisini araştırmak için iki ilerleme katsayısı ve iki
kavitasyon sayısında deneyler yerine getirilmiştir. σu ise aşağıdaki gibi tanımlanmıştır.
σu =
Pst − Pv
1
ρU 2
2
(2)
Gürültü deneyleri için kullanılan ölçüm cihazları şekil 2’de gösterilen, B&K 8103
hydrophone, B&K 2635 charge amplifier, B&K 2610 measuring amplifier ve B&K
1617 1/3 Octave band pass filter’dan oluşmuştur. Hydrophone tünel kapağının üstüne
pervanenin şaft merkezinden 405 mm uzaklıkta yerleştirilmiştir bu ise eldeki tünelin
olanaklarına göre gürültü ölçümlerinin yapılabileceği en iyi pozisyondır. Kavitasyon
tünelinin kendi gürültüsünün (background noise) yüksek olarak kabul edilmesi
199
yüzünden [28], kavitasyon tünelinin kendi gürültüsüne katkısı bulunan bu elemanların
(dinamometre, impeller, türbülans yapıcı vb.) etkileri tek tek ölçülmüştür. Ayrıca her
ölçüm arasında 10 dakikalık zaman aralığı bırakılarak bir ölçümün diğerine etkisi
ortadan kaldırılmıştır. Gürültü ölçümleri 50 Hz ile 160 kHz arasında değişen frekans
aralığında yerine getirilmiştir.
405
Hydrophone
B&K 8103
810
CL
1/3 Octave
Band Pass Filter
B&K 1617
Charge Amplifier
B&K 2635
Measuring Amplifier
B&K 2610
Şekil 2. Deneylerde kullanılan gürültü ölçüm cihazları
Yukarıda tanımlanan deney koşullarında, model pervane Kempf & Rimmers H33
dinamometre ile çalıştırılmış ve kavitasyon başlangıcı ölçümleri 4 aşamalı kavitasyon
için değişen serbest akım türbülans ve pürüzlülük düzeylerinde 2 farklı çözünmüş gaz
oranı için yapılmıştır. Bu gaz oranları %20 ve %44’tür. Gürültü ölçümleri ise 2 farklı
kavitasyon sayısı (σu=5.56 ve σu=14.0 (atmosfer basıncında)), 2 ilerleme katsayısı
(J=0.6 ve 0.4), aynı serbest akım türbülans düzeylerinde, pürüzlülük yüksekliklerinde ve
çözünmüş gaz oranlarında gerçekleştirilmiştir.
DENEY SONUÇLARI
KAVİTASYON DENEYLERİ
Şekil 3(a) ile (d) arası pervanenin kanat ucu girdap ve şerit kavitasyonlarının
değişen serbest akım türbülans düzeylerinde ve iki farklı çözünmüş gaz oranındaki
deney sonuçlarını göstermektedir. Bu şekillerde serbest akım türbülans düzeyiturbulence intensity- (%) olarak verilmektedir. Benzer biçimde, Şekil 4(a) ve (d) arası
aynı kavitasyon tipleri üzerindeki pürüzlülüğün etkisini göstermektedir. Pürüzlülük
yüksekliği k ile micron (µm) olarak verilmektedir. Şekillerde çözünmüş gaz oranı ise
(αD/αS) olarak tanımlanmış ve burada αD uygulanan statik basınçtaki çözünmüş gaz
oranını ve αS ise 1 atmosfer basıncındaki doymuş suyun çözünmüş gaz oranını
göstermektedir.
Diğer taraftan aynı şekillerde kavitasyon sayısı, σi, bileşke yada bağıl hız, VR, a
bağlı olarak aşagıdaki gibi tanımlanmıştır.
200
σi =
Pst − Pv
1
ρVR2
2
(3)
Burada VR = U 2 + (0.7 πND) 2 dır.
Serbest akım türbülansının kavitasyon üzerindeki etkisi incelendiğinde Şekil
3(a)’da görüldüğü gibi kavitasyon sayısı ve serbest akım türbülans düzeyi arasında her
iki çözünmüş gaz oranında kanat ucuna bağlanmayan girdap kavitasyonu için bir lineer
eğilimin varlığından söz edilebilir. Türbülans düzeyi arttıkça kavitasyon sayısıda
artmaktadır, şöyleki serbest akım türbülans düzeyindeki artış daha erken kavitasyonun
oluşmasını sağlamaktadır.
Şekil 3(c) ve (d)’de görüldüğü gibi, şerit kavitasyona doğru gidildikçe sonuçlar
kanat ucuna bağlanmayan girdap kavitasyonu durumundaki aynı eğri karakterini
göstermemektedir. Serbest akım türbülans düzeyi arttıkça kavitasyon sayısı kritik bir
türbülans düzeyine kadar artmakta ondan sonra ise sabit kalmaktadır. Bu bulgular düşük
düzeydeki çözünmüş gaz oranında gözlemlenmiştir. Kanat uçlarına bağlanmayan girdap
kavitasyonunda ve şerit kavitasyonunda ki eğilimlerin arasındaki farklılık kavitasyonun
karakteristiğinde önemli rol oynayan kabarcık gelişimine bağlanabilir. Şöyleki, kanat
uçlarına bağlanmayan girdap kavitasyonu aşamasındaki kabarcık şerit kavitasyona
doğru oluşan kabarcığın gelişme ve sönme aşamalarından farklı karakter
göstermektedir. Bu yüzden kavitasyon süreci, kavitasyon kabarcığının her aşamasındaki
farklı davranışı yüzünden her aşamada ayrı olarak araştırılmalıdır.
Ayrıca şekiller çözünmüş gaz oranının kavitasyonun başlangıcı üzerindeki etkisini
açık olarak göstermektedir. Gaz oranındaki artış her türbülans düzeyindeki kanat
uçlarına bağlanmayan girdap kavitasyon sayısında önemli bir artışa yol açmaktadır.
Ancak bu eğilim kavitasyon şerit tipine doğru geliştikçe değişmektedir ve bu da serbest
akım türbülansı ve çözünmüş gaz oranının farklı kavitasyon tipleri üzerindeki birleşik
etkisini de göstermektedir.
1
0.9
0.9
0.8
0.8
Kavitasyon sayisi
Kavitasyon sayisi
1
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
3.2
4.6
Turbulans Duzeyi (%)
3.4
3.6
3.8
4
4.2
Turbulans Duzeyi (%)
(a)
(b)
201
4.4
4.6
1
0.9
0.8
0.8
Kavitasyon sayisi
Kavitasyon sayisi
1
0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
3.2
3.4
3.6
3.8
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
4
0.2
3.2
4.2
4.4
4.6
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
3.4
3.6
Turbulans Duzeyi (%)
3.8
4
4.2
4.4
4.6
Turbulans Duzeyi (%)
(c)
(d)
Şekil 3. Kavitasyon sayısının değişik türbülans düzeylerine göre karşılaştırılması.
Burada (a) kanat uçlarına bağlanmayan girdap kavitasyonu, (b) bir kanat ucuna
bağlanan girdap kavitasyonu, (c) bütün kanatlara tamamen bağlanmış girdap
kavitasyonu ve (d) ise şerit kavitasyonu göstermektedir.
Diğer taraftan Şekil 4(a)’da görüldüğü gibi önder kenar pürüzlülüğü serbest akım
türbülansının kanat uçlarına bağlanmamış girdap kavitasyon tipine gösterdiği etkinin
aynısını göstermektedir. Pürüzlülük arttıkça kavitasyon sayısında da artış olmaktadır.
Bu ise pürüzlülüğün serbest akım türbülansı gibi kavitasyonu aynı şekilde etkilediği
sonucuna doğurabilir.
Şekil 4(c) ve (d) göstermektedir ki, şerit kavitasyona doğru gidildikçe kavitasyon
üzerinde serbest akım türbülansında görülen etkilerin aynısı pürüzlülük durumunda da
gözlemlenmektedir. Kavitasyon sayısı kritik bir pürüzlülük yüksekliğine kadar artmakta
ondan sonra ise sabit kalmaktadır. Aynı şekilde pürüzlülük deneyleride kabarcık
gelişiminin bu tip kavitasyonlar için önemini kanıtlamaktadır.
0.8
0.8
0.5
Kavitasyon Sayisi
1
0.9
Kavitasyon Sayisi
1
0.9
0.4
0.4
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
0
25
50
75
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
100
k (micron)
0
25
50
75
k (micron)
(a)
(b)
202
100
1
0.9
0.8
0.8
Kavitasyon Sayisi
Kavitasyon Sayisi
1
0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.6
0.5
0.4
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
0.7
0
25
50
75
Cozunmus gaz orani=%20
Cozunmus gaz orani=%44
0.3
0.2
100
k (micron)
0
25
50
75
100
k (micron)
(c)
(d)
Şekil 4. Kavitasyon sayısının değişik pürüzlülük yüksekliklerine göre karşılaştırılması.
Burada (a) kanat uçlarına bağlanmayan girdap kavitasyonu, (b) bir kanat ucuna
bağlanan girdap kavitasyonu, (c) bütün kanatlara tamamen bağlanmış girdap
kavitasyonu ve (d) ise şerit kavitasyonu göstermektedir.
Deneyler sırasında pervanenin sınır tabaka özellikleri ve nuclei (suyun içindeki
kabarcık, boşluklar vb.) dağılımı ölçülmemesine rağmen serbest akım türbülansının
sınır tabakanın gelişmesini etkilediği sonucuna varılabilir. Serbest akım türbülans
düzeyi arttıkça sınır tabaka daha türbülanslı hale gelmektedir. Bu ise pervane üzerinde
oluşan laminerden türbülansa geçiş bölgesinin pervanenin önder kenarına doğru hareket
ettirilmesi ile ortaya çıkmaktadır. Ayrıca tel perdeler sadece türbülans üretmeyip aynı
zamanda kavitasyonu etkileyen kabarcıkta üretmiştir. Sonuç olarak, çalkantı hızlarının
kavitasyonun gelişimine etkisi daha erken kavitasyonun ortaya çıkmasında ya da
kavitasyon başlangıcının geciktirilmesinde oldukça önemlidir.
Deney sonuçları göstermiştirki iki faktör serbest akım türbülansı ve önder kenar
pürüzlülüğü kavitasyonun başlangıcı üzerinde hemen hemen benzer etkileri
yapmışlardır. Öte yandan pürüzlülüğün pervane yüzeyine uygulaması özel bir dikkat
istemekte ve bazende istenmeyen erken kavitasyon görülebilmektedir. Bu nedenle
uygun bir serbest akım türbülans yöntemi sınır tabakayı türbülanslı hale getirmek için
pürüzlülük yerine kullanılabilir. Ayrıca burada sunulan sonuçlar yarı ampirik bir model
ile tam ölçekli pervanedeki kavitasyonun tahmininde de kullanılabilir. Bununla ilgili
Korkut [24] ve Korkut ve diğerleri [29]’ne bakılabilir.
GÜRÜLTÜ DENEYLERİ
Şekil 5(a) ve (d) arası atmosfer basıncında iki ilerleme katsayısında yapılan
pervanenin gürültü ölçümlerini göstermektedir. Farklı filtre genişliklerinde elde edilen
gürültü değerlerini karşılaştırabilmek için her 1/3 Octave bandında ölçülen değerler
eşdeğer 1 Hz band genişliğine aşağıda verilen formül ile dönüştürülmüştür [6].
203
SPL = SPL m − 10 log ∆f
(4)
Burada SPL 1 Hz band genişliğine dönüştürülen gürültü düzeyi, SPLm ölçülen gürültü
düzeyi ve ∆f ise ölçüm yapılan filtre band genişliğidir.
Her frekanstaki net pervane gürültüsü, SPLN, toplam gürültüden (pervane artı
tünelin kendi gürültüsü) aynı koşullardaki tünelin kendi gürültüsünün çıkarılması ile
hesaplanmıştır. Bunun için aşağıdaki logaritmik çıkarım formülü kullanılmıştır.
[
SPL N = 10 log 10SPL T / 10 − 10SPL B / 10
]
(5)
Burada SPLT toplam gürültüyü SPLB ise tünelin kendi gürültüsünü göstermektedir.
Şekillerde logaritmik ölçekli x ekseni ölçüm yapılan frekansları Hz olarak, lineer
ölçekli y eksenide net gürültü düzeylerini dB olarak göstermektedir. Net gürültü
düzeylerinin hesaplanmasında su için standard basınç olan 1 µPa referans alınmış ve
sonuçlar 1 Hz band genişliğine çevrilmiştir. Ayrıca serbest akım türbülans düzeyleri
TI(%) olarak gösterilmektedir. Belirtilmesi gerekirki şekillerde bazı bölümlerde
eğrilerde süreksizlik vardır. Bunun nedeni buralarda tünelin kendi gürültüsü toplam
(pervane+tünelin kendisi) gürültüsün’den fazladır. Bu ise denklem (5)’ten de
görülebileceği gibi eksi logaritmik değerlere yol açmıştır. Bunun sonucu bu frekans
değerlerinde eğriler boş bırakılmıştır.
Şekillerden görülebileceği gibi, gürültü sinyalleri 50 Hz ile 1000 Hz arasındaki
düşük frekans aralığında türbülansın gürültü üzerindeki etkisi hakkında herhangi bir
eğilim göstermemektedir. Düşük frekans bölgesi özellikle pervanenin blade rate
frekansı (BRF) ve harmoniklerinin etkisi altındadır (BRF=139 N=27.77 rps te ve
BRF=208 N=41.66 rps te). Diğer taraftan Clarke [28] kavitasyon tünelinin kendi
gürültüsü ile ilgili olan titreşim incelemesinde dinamometre ve impellerin yarattığı
yapısal titreşim frekanslarının da bu frekans aralığında olduğunu göstermiştir.
Dolayısıyla düşük frekans aralığında serbest akım türbülansının pervanenin gürültüsü
üzerindeki etkisi hakkında bir sonuca varmak olanaksız görünmektedir.
Buna rağmen yüksek frekans bölgesinde (1000 Hz’den sonrası) serbest akım
türbülansının bir etkisinden söz etmek olasıdır. Serbest akım türbülans düzeyi arttıkça
net pervane gürültü düzeyinde de bir artıştan söz edilebilir. Sonuçları burada
sunulmamıştır fakat pürüzlülük ile yapılan ölçümlerde ise tamamıyla serbest akım
türbülans ölçümlerine zıt özellikler bulunmuştur. Şöyleki pervane yüzey pürüzlülüğü
arttıkça pervane gürültüsünde az miktarda da olsa azalmalar olmuştur. Ayrıca çözünmüş
gaz oranının etkisi pürüzlülüğün etkisine benzer olarak saptanmıştır. Bu ise yüksek
çözünmüş gaz oranının kabarcığın sönüm aşamasına denk gelen yüksek frekans
bölgesinde gürültü üzerinde bir tampon etkisi yapmasından kaynaklanmıştır (bknz [1]
ve [30]).
204
Net Pervane Gurultu Duzeyi (dB; re 1µPa, 1Hz)
180.00
TI(%)=3.273
170.00
TI(%)=3.752
160.00
TI(%)=3.958
150.00
TI(%)=4.466
140.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
100.00
1000.00
10000.00
100000.00
Frekans (Hz)
(a)
Net Pervane Gurultu Duzeyi (dB; re 1µPa, 1Hz)
180.00
TI(%)=3.273
170.00
TI(%)=3.752
160.00
TI(%)=3.958
150.00
TI(%)=4.466
140.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
100.00
1000.00
10000.00
100000.00
Frekans (Hz)
(b)
Net Pervane Gurultu Duzeyi (dB; re 1µPa, 1Hz)
180.00
TI(%)=3.273
170.00
TI(%)=3.752
160.00
TI(%)=3.958
150.00
TI(%)=4.466
140.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
100.00
1000.00
Frekans (Hz)
(c)
205
10000.00
100000.00
Net Pervane Gurultu Duzeyi (dB; re 1µPa, 1Hz)
180.00
TI(%)=3.273
170.00
TI(%)=3.752
160.00
TI(%)=3.958
150.00
TI(%)=4.466
140.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
100.00
1000.00
10000.00
100000.00
Frekans (Hz)
(d)
Şekil 5. Serbest akım türbülansın atmosfer basıncındaki (σu=14) net pervane gürültüsü
üzerindeki etkisi. Burada (a) αD/αS=%20 ve J=0.6 (b) αD/αS=%20 ve J=0.4, (c)
αD/αS=%44 ve J=0.6, (d) αD/αS=%20 ve J=0.4 göstermektedir.
SONUÇLAR
Pervanelerdeki kavitasyonun başlangıcı ve gürültü üzerindeki ölçek etkilerini
araştırmak için değişen serbest akım türbülans ve pürüzlülük düzeylerinde ve farklı
çözünmüş gaz oranlarında Meridian tip bir pervane ile kavitasyon başlangıcı ve gürültü
ölçümleri yerine getirilmiştir. Deneylerden aşağıdaki sonuçları çıkarmak olasıdır.
•
•
•
•
Serbest akım türbülansının, ölçek etkisi olayına katkısı bulunan en önemli
etkenlerden birisi olduğu doğrulanmıştır.
Kavitasyon başlangıcı deneylerinin analizine göre serbest akım türbülansı ve önder
kenar pürüzlülüğünün kavitasyonun başlangıcını etkileme eğlimleri arasında
benzerlikler vardır.
Bir önceki sonuç önder kenara pürüzlülük uygulamak yerine uygun bir serbest akım
türbülans tekniği kullanarak model pervane deneylerindeki ölçek etkisini azaltmada
kullanılabileceğeni göstermektedir.
Serbest akım türbülansının pervane gürültüsü üzerinde pürüzlülüğün tersi bir etkisi
vardır, fakat türbülansın etkisini daha ayrıntılı bir çalışma ile genişletmekte yarar
vardır.
TEŞEKKÜR
Bu çalışma birinci yazarın İstanbul Teknik Üniversitesi tarafından desteklenen
Doktora çalışmasına dayanmaktadır. Yazarlar Emerson Kavitasyon Tünelinin
206
teknisyeni Mr. Ian Paterson’a da deneyler sırasındaki yardımından dolayı teşekkürü bir
borç bilir.
KAYNAKLAR
[1] ITTC, Cavitation Committee Report, 18th International Towing Tank Conference,
Kobe, Japan, 1987.
[2] Arndt, R.E.A. ve George, W.K., Pressure Fields and Cavitation in Turbulent
Shear Flows, 12th Symposium on Naval Hydrodynamics, Washington D.C, USA,
pp.327-339, 1979.
[3] Huang, T.T, The Effects of Turbulence Stimulators on Cavitation Inception of
Axisymmetric Headforms, Transactions of the ASME, Journal of Fluids
Engineering, Vol.108, pp.261-268, 1986.
[4] Keller, A.P., Cavitation Inception Measurement and Flow Visualisation on
Axisymmetric Bodies at Two Different Free Stream Turbulence Levels and Test
Procedure, ASME, International Symposium on Cavitation Inception, New York,
USA, pp.63-74, 1979.
[5] Gates, E.M. ve Acosta, A.J., Some Effects of Several Free-stream Factors on
Cavitation Inception of Axisymmetric Bodies, 12th Symposium on Naval
Hydrodynamics, Washington D.C., USA, pp.86-112, 1979.
[6] Odabasi, A.Y., Cavitation Inception and Prediction of Broad-Band Noise Levels,
Report No:W1607, British Maritime Technology Limited, UK, 1987.
[7] Odabasi, A.Y., Turbulence Effects in Cavitation Inception and Propeller Noise,
PROPCAV'95, Newcastle upon Tyne, UK, pp.45-58, 1995.
[8] Keller, A.P., Cavitation Inception-New Scaling Laws, Developed by Consideration
of a Parameter of Influence Generally Blurring Experimental Results,
International Conference on Cavitation, London, UK, pp.171-181, 1992.
[9] Pan, S.S., Yang, Z.-M. ve Hsu, P.S., Cavitation Inception Tests on Axisymmetric
Headforms, Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol.103,
pp.268-272, 1981.
[10] Billet, M.L. ve Holl, J.W., Scale Effects on Various Type of Limited Cavitation,
ASME, International Symposium on Cavitation Inception, New York, USA,
pp.11-23, 1979.
[11] Holl, J.W., The Inception of Cavitation on Isolated Surface Irregularities,
Transactions of the ASME, Journal of Basic Engineering, pp.169-183, 1960.
[12] Kuiper, G., Cavitation Inception on Ship Propeller Models, Ph.D. Thesis,
University of Delft, Netherlands, 1981.
[13] Shen, Y.T., Wing Sections on Hydrofoils, Part 3- Experimental Verifications,
Journal of Ship Research, Vol.29, pp.39-50, 1985.
[14] Kim, K.-S., Kim, K.-Y., Ahn, J.-W. ve Lee, J.-T., Effects of Reynolds Number and
Leading Edge Roughness on the Cavitation Performances of a Model Propeller,
International Conference on Problems of Marine Propulsion, HYDRONAV'95,
Gdansk, Poland, pp.89-102, 1995.
[15] Pichon, T., Pauchet, A., Astolfi, A., Fruman, D.H. ve Billard, J-Y., Effect of
Tripping Laminar-to-Turbulent Boundary Layer Transition on Tip Vortex
Cavitation, Journal of Ship Research, pp.1-9, 1997.
207
[16] Holl, J.W. ve Billet, M.L., Limited Cavitation on Isolated Surface Irregularities
Unsolved Problems, International Symposium on Cavitation, Sendai, Korea, 1986.
[17] Holl, J.W., Nuclei and Cavitation, Transactions of the ASME, Journal of Basic
Engineering, pp.681-688, 1970.
[18] Rood, E.P., Review-Mechanisms of Cavitation Inception, Transactions of the
ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol.113, pp.163-174, 1991.
[19] Holl, J.W., An Effect of Air Content on the Occurrence of Cavitation, Transactions
of the ASME, Journal of Basic Engineering, pp.941-946, 1960.
[20] Arndt, R.E.A. ve Keller, A.P., Water Quality Effects on Cavitation Inception in a
Trailing Vortex, ASME, Cavitation'91, Portland, USA, pp.1-9, 1991.
[21] Fruman, D.H., The Action Concertee Cavitation the Research Program and
Accomplishments, International Symposium on Cavitation CAV'95, Deauville,
France, pp.211-217, 1995.
[22] Baur, T., Kongeter, J. ve Leucker, R., Effects of Dissolved Gas on Cavitation
Inception in Free Surface Flows, 3rd International Symposium on Cavitation,
Cavitation'98, Grenoble, France, pp.155-159, 1998.
[23] Tanibayashi, H., Ogura, K. ve Matsuura, Y., On the Cavitation Occurring at the
Bottom of an Accelerated Circular Cylinder, 3rd International Symposium on
Cavitation, Cavitation'98, Grenoble, France, pp.161-166, 1998.
[24] Korkut, E., An Investigation into the Scale Effects on Cavitation Inception and
Noise in Marine Propellers, Ph.D. Thesis, University of Newcastle upon Tyne,
UK, 1999.
[25] Korkut, E., Atlar, M. ve Odabasi, A.Y., Effects of Free-Stream Turbulence on
Cavitation Inception of Marine Propellers, ASME Fluids Engineering Division
Summer Meeting: Cavitation and Multiphase Flow Forum, Paper No: FEDSM985056, Washington D.C., USA, 1998.
[26] Atlar, M. ve Korkut, E., Emerson Cavitation Tunnel Inflow Characteristics Based
on 2-D Laser Doppler Anemometry Analysis, Department of Marine Technology
Report, University of Newcastle upon Tyne, Report No: MT-1997-001, 1997.
[27] Wang, D., The Development and Validation of Propeller Design Incorporating
New Approaches to the Blade Section Design, Ph.D. Thesis, University of
Newcastle upon Tyne, UK, 1995.
[28] Clarke, M.A., Noise Project, Newcastle University, Report of Stone Vickers Ltd
Technical Department, Report No: H93, UK, 1987.
[29] Korkut, E., Atlar, M. ve Odabasi, A.Y., On the Viscous Scale Effects in Cavitation
Inception of Marine Propellers, 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering
Conference: Symposium on Cavitation Inception, Paper No: FEDSM99-7297, San
Francisco, California, USA, 1999.
[30] Ross, D, Mechanics of Underwater Noise, Pergamon Press, New York, USA,
1976.
208