SeyrüseferSeyir DefteriDonanım → Gemi Mühendisliği için Donanım İhtiyaçları : Hidrodinamik İzler

Gemi Mühendisliği için Donanım İhtiyaçları : Hidrodinamik İzler

Seyir Defteri - Donanım
Çarşamba, 01 Haziran 2016

Süperbilgisayarİster susüstü ister sualtı olsun bir askeri deniz aracı için suya yaydığı gürültünün seviyesi bugün itibarı ile gemi mühendisliğindeki en önemli tasarım değişkenlerinden biri haline gelmiştir. Gürültü ayrıca sualtı ortamında ses kirliliğine de sebep olur ki bunun denizlerdeki canlılar üzerinde olumsuz etkileri mevcuttur.

Gemi ve denizaltı gürültülerinin çok çeşitli kaynakları söz konusudur. Bu kaynaklar arasında üzerinde en çok çalışma yapılanlar ise sevk sistemi kökenli olanlardır ki başlıca bileşeni pervanelerdir. Buna bağlı olarak pervane kaynaklı gürültülerin ölçülebilmesi ve azaltılması hayâti önem taşır. Pervane gürültüsü iki temel alt başlığa ayrılabilir:

  1. Kavitasyon kökenli olanlar
  2. Kavitasyon kökenli olmayanlar

Pervaneler çoğunlukla az ya da çok kavistayon meydana getirir ve çöken kabarcılar büyük miktarda gürültüye sebep olur. Fakat kavitasyon tek gürültü kaynağı değildir mesela çok derin su şartlarında kavitasyonun tamamen ortadan kalktığı durumlarda bile pervaneler hâlâ gürültü üretmeye devam eder.

Ses yayılması akış ortamı ile doğrudan alâkalı olduğu için gürültü alanındaki çalışmalar da iki farklı bilim alanına ayrılabilir:

  1. Gaz ortamlarındaki gürültünün incelenmesi: Aeroakustik
  2. Sıvı ortamlarındaki gürültünün incelenmesi: Hidroakustik

Ortam hangisi olursa olsun akış gürültüsün sayısal olarak incelenebilmesi için ise iki temel yaklaşım mevcuttur:

  1. Doğrudan yöntemler
  2. Akustik mukayese

 

Bu sitede kullanılan hesaplama çalışmalarına vesaire ait görüntüler büyük ölçüde Üsküdar Mühendishanesi tarafından hazırlanır fakat bu makaledekiler ister istemez bir istisna teşkil ediyor çünkü bunların elde edilebilmesi için gerçek bir süperbilgisayar gerekli. Diğer taraftan bazı konuların biraz daha iyi anlaşılabilmesi için burada kullanılmaları gerekliydi. Zaten böyle bir süperbilgisayarım olsaydı bile cereyan faturasını ödeyemezdim...

 

Muhrip gövdesi etrafında HAD akış çözümü - DES

Resim.1) Takıntısız DTMD5415 modeli üzerinde Re=5,13e06 ve Fr=0,28 için CFDShip-Iowa V4 yazılımı ile oluşturulmuş bir çözüm. Kullanılan yöntem DES (Ayrılmış Girdap Benzetimi) ve düğüm sayısı 300e06. Bu yaklaşımla ve göreceli düşük çözünürlükle küçük ölçekli türbülans yapıları elde edilememiş olmakla birlikte sonar kubbesinden ve baş omurgadan kaynaklanan iki temel girdap yapısı ve bunların sınır tabaka ile etkileşimleri bir ölçüde elde edilebilmiş durumda gibi görünüyor. [1]

 

Pervane etrafındaki akış kaynaklı gürültülerin hesaplanabilmesi için gereken ilk safha, hidrodinamik akışın sayısal yöntemlerle çözülmeye çalışılmasıdır. Pervaneler geminin kıçında yüksek oranda türbülanslı gövde dümensuyu içinde [Resim.1] hareket ederler ve bu sebeple etraflarındaki akış gerçekten çok karmaşık ve çözümü zor bir problem meydana getirir. Günümüzde Kt ve Kq gibi belirli temel pervane niteliklerini tespit edebilmek ve kabûl edilebilir sonuçlar üretebilmek mevcut HAD yöntemleri ile her zaman olmasa da mümkün olabilmektedir fakat gürültü gibi daha zorlu nitelikler için durum farklıdır. Sualtı ortamına yayılan gürültü iki temel mekanizma ile oluşur:

  1. Akış içinde oluşan dalgalanmalar
  2. Titreşen yapılar

İlave olarak bu iki mekanizmanın birbirleriyle karşılıklı ve çift yönlü etkileşimi de söz konusudur.

Akış gürültüsü çalışmalarında hedeflenen temel verilerden biri genişbant gürültüsüdür. Genişbant gürültü çalışmaları tam frekans aralığında toplam akış gürültüsünün elde edilmesine dayanır.

Bununla birlikte gürültü incelemeleri için gerekli olan, zamana ve konuma göre kararsızca dalgalanan mesela basınç gibi değişkenlerin büyüklüklerini tespit edebilmek için daha hassas modellere ihtiyaç vardır. Böyle bir ihtiyaç için üç yöntem üzerinde durmak mümkündür:

  1. DNS (Doğrudan Sayısal Benzetim)
  2. LES (Büyük Girdap Benzetimi)
  3. DES (Ayrılmış Girdap Benzetimi)

Günümüz ve yakın gelecek için; sonuç hassasiyeti ve ihtiyaç duyulan hesaplama gücü arasındaki denge sebebiyle LES (Büyük Girdap Benzetimi) akustik incelemeler amacıyla en çok üzerinde durulan ve araştırılan model olarak kabûl edilebilir. İçerik itibarı ile bu yazıda söz konusu yaklaşımlar ele alınmayacaktır.

 

Ayna Akışı - Deney ve Hesaplamalı Akışkan Dinamiği - LES

Resim.2) LES (Büyük Girdap Benzetimi) yaklaşımı ile elde edilen bir ayna akışı çözümü ve havuz deneyi karşılaştırmasından bir görüntü. Canlandırmadaki hesaplamanın süresi 1.008 işlemci ile 90 saat. [2] [3] Burada Kullanılan model 30kadem (9,144m) uzunluğunda. Canlandırmayı izleyebilmek için resmin üzerine tıklamak yeterli. (Yeni pencerede açılır!)

 

Askeri deniz araçları için gerek duyulan harekât ihtiyaçları daima daha sessiz gemiler ve denizaltılar inşa edilmesi yönünde bir baskı oluşturmaktadır. Bu sebeple gemilerin hidrodinamik izlerinin yönetimi son derece önemli bir gemi mühendisliği sahasıdır. Hidrodinamik izlerin en önemlilerinden olan pervane gürültüsünün tasarım aşamasında kestirilebilmesi de günümüzün öncelikli hususlarından biridir. Fakat bu görev son derece karmaşıktır çünkü;

  1. Kavistasyonu ortadan kaldırmak gürültüyü tamamen ortadan kaldırmak anlamına gelmez.
  2. Kavitasyon harici gürültüler daha da karmaşıktır ve fiziği henüz yeteri kadar anlaşılabilmiş değildir.
  3. Düşük gürültülü pervane tasarımı konvansiyonel pervane tasarımı tecrübesinden son derece farklı olduğundan geçmişe dönük yeterli tecrübe ve bilgi birikimi açık kaynaklarda mevcut değildir dolayısıyla (mesela Türkiye için) çalışılıp öğrenilmesi gerekir, bu sahada teknoloji transferi martavalları işe yaramaz.

Bu sebeplerle hesaplamalı bir inceleme söz konusu olduğunda basınç dalgalanmalarını gerçekçi bir seviyede hesaplayabilecek araçlara ihtiyaç olur. Günümüzde kullanılan yöntemler genellikle RANS/URANS1 modelleri kullanılarak pervane ve dümensuyu bölgesi için akış ve türbülans dağılımlarının hesaplanması suretiyle elde edilen verilerin sistematik model ölçümlerine bağlı olarak oluşturulmuş yarı analitik yöntemlerle değerlendirilmesine dayanır. Böyle yöntemler gerçek gürültü seviyelerini hassas olarak hesaplamada güvenilir değildir ve yetersizdir, bu sebeple ancak muhtelif tasarım seçeneklerinin nitelik açısından karşılaştırılmasında kullanılabilir.

Ama pervane tek gürültü kaynağı da değildir:

  1. Gövde etrafında oluşan akış,
  2. Pervane mili ve mil destekleri etrafındaki akışlar,
  3. Bu akışların pervaneye gelen su üzerindeki etkileri sebebiyle oluşan durumlar,
  4. Dümen etrafındaki akış ve pervane - dümen etkileşimi,
  5. Yumrubaş ve sonar kubbesi gibi yapılardan kaynaklanan akış şartlarının kendilerinden daha geride bulanan akış üzerindeki etkileri
  6. Aktif ve pasif yalpa omurgaları çevresindeki akışlar
  7. Ayna kaynaklı akış oluşumları

gibi başlıca hususlar herhangi bir geminin toplam gürültü izi üzerinde çok büyük ve kestirilmesi zor hidrodinamik etkilere sahiptir. Ayrıca belli şartlarda çeşitli bölgelerde meydana gelebilen kavitasyon ve ventilasyon gibi çift safhalı oluşumlar zaten fazlasıyla karmaşık olan problemi daha da zorlaştırır. İlave olarak akış yapı etkileşimi, akış kaynaklı yapısal titreşimler ve yapısal titreşim kaynaklı tahriklerin akış üzerindeki etkileri de son derece önemlidir.

 

Donanım İhtiyaçları

Aslında bu yazının hazırlanmasına MİLGEM, Yumrubaş ve Sonar Kubbesi adlı makaledeki bir varsayıma bağlı olarak geçen sene bir ziyaretçiden gelen Türkiye'de kurulan yeni süperbilgisayarla alâkalı değerlendirme sebep oldu denilebilir. Daha önce bu doğrultuda ilk olarak Türkiyenin elindeki süperbilgisayar imkânları kısaca ele alınmıştı. Bir nevî ikinci bölümü oluşturan bu yazıda ise bazı araştırma çalışmaları temel alınarak biraz daha somut değerler ile geleceğe dönük donanım ihtiyaçları açısından durum değerlendirilmeye çalışılmaktadır.

[Resim.2]'de ve vidyosunda 30kadem (9,144m) uzunluğunda ayna akışı inceleme deneylerine karşı NFA yazılımıyla gerçekleştirilen bir HAD benzetimi çalışmasının sonucu görülebilir. Buradaki çalışma türbülansın LES2 yaklaşımı ile modellenmesine dayanan bir araştırmaya [3] aittir. Araştırmacıların beyanlarına göre bir milyar (kartezyen örgü) hesaplama hücresine sahip model ile her bir sürât için 1.008 işlemci ile gerekli hesaplama süresi 90saat olarak gerçekleşmiştir. Ayrıca 25milyar ve 100milyar hesaplama hücresi için de aynı çalışmaların yapıldığı beyan edilmiş olsa da bu çözünürlüğe ait araştırma sonuçları henüz açık kaynaklarda yayınlanmamıştır. NFA yazılımının paralelleme yetenekleri düşünüldüğünde 100milyar hücre için oluşturulmuş eşdeğer bir problemi yine 90 saatte çözebilmek için kabaca 100bin işlemcili bir bilgisayara ihtiyaç olabileceği tahmin edilebilir.

Böyle çözünürlükler ile mesela ayna kaynaklı akış gürültülerinin ayrıntılı bir şekilde incelenebilmesi mümkün olabilir. Diğer taraftan yukarıda bahsi geçen çalışmada pervane, dümen vesaire gibi yapıların modellenmediği, akış-yapı etkileşiminin söz konusu olmadığı ve gerçekçi Reynolds sayılarından uzak olunduğu da düşünülürse geleceğe dönük olarak, toplam hidroakustik çözüm ihtiyaçları için nasıl bir donanım ihtiyacı olabileceği belki kabaca kestirilebilir.

 

Kanay  kesiti etrafında akış çözümü - DNS

Resim.3) DNS (Doğrudan Sayısal Benzetim) yaklaşımı ile Naca4412 kesitine sahip bir kanadın küçük bir bölümü üzerinde Re 400.000 için 5derece hücum açısında elde edilen çözüm. Kanat etrafında ve dümensuyunda oluşan girdap yapıları çok ayrıntılı bir şekilde hesaplanabilmiş görünüyor. Tabii bunun bir bedeli var: 16.384 işlemci ile araştırmacıların beyan ettiği hesaplama süresi 3milyon işlemci-saat, kabaca 1 haftadan daha uzun![4]

 

[Resim.3]'de ve vidyosunda ise Naca4412 kesitine sahip bir planör kanadının küçük bir bölümü üzerinde gerçekleştirilen DNS3 temelli bir araştırma çalışmasının sonucu görülebilir. 5 derecelik hücum açısında Re 400.000 için elde edilen bu çözüm için harcanan hesaplama gücü 3milyon işlemci-saat olarak beyan edilmiştir. Çalışma İsveç'de bulunan KTH4-Linné Akış Merkezi'ne ait süperbilgisayar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu bilgisayar Haziran 2015 itibarı ile Top500 sıralamasında 43. sırada bulunan 53.632 işlemcili bir makinadır. Yeri gelmişken bahsetmek gerekirse Top500 listesinde bundan başka dört İsveç bilgisayarı daha mevcuttur.

 

Bu noktada belki kısaca bir iki soru sormak gerekir: Bugün İstanbulun yarısı kadar nüfusa sahip olan İsveç mesela denizaltı tasarım ve inşa teknolojisinin neredeyse bütün alanlarında (veya torpil, gemi, uçak, araba, motor teknolojilerinde vesaire) nasıl dünyanın önde gelen birkaç ülkesinden biri olabilmiştir? Bizim açımızdan durum nedir? Aradaki farkın sebepleri nelerdir? Gerçekten derdimize bir çare bulmak isteniyorsa neler yapmak gerekir? Mesela mevcut yaklaşımlar devam ettikçe başarılı bir "gerçekten milli" MİLDEN mümkün olabilecek midir..?

Tabii ki cevaplardan biri parayı bastıralım da dünyanın en güçlü bilgisayarlarını satın alalım değil! Eğer bu kadar basit olsaydı mesela Suudi Arabistanın büyük işler yapabilmesi gerekirdi çünkü dünyanın en güçlü bazı bilgisayarları orada; üstelik biri yedinci sırada (196.608 çekirdek!) olmak üzere ilk 500 içinde toplam yedi bilgisayarları var...

Fakat yine de Türkiyenin süperbilgisayar durumu tek başına temel bir etken ve gösterge olmasa da ülkenin bilim, arge ve sanayi alanındaki parlak olmayan konumunu sağlamlaştıran değişkenlerden biridir demek mümkün olsa gerek. Tabii ki mesele sadece süperbilgisayarlara indirgenemeyecek kadar karmaşık...

 

Söz konusu çalışmanın KTH süperbilgisayarındaki işlemcilerden 16.384 tanesi ile gerçekleştirildiği beyan edilmiştir. Bu çözüm için gereken hesaplama süresi 183,1 saattir ki sadece çözüm süresidir ve önişlem, sonişlem vesaire dahil değildir. Bizim için bütün bu uçuk sayıların etkisiyle olsa gerek ilk anda kolayca gözden kaçan önemli bir değişken daha mevcut: Hesaplamanın maddî maliyeti:

Eldeki verilere göre, böyle bir bilgisayar Türkiye'de olsa (ki yanına yaklaşabilen bile yok) bizi nasıl bir maliyetin beklediğini yaklaşık olarak hesaplamak mümkündür. Sadece [Resim.3]'deki çözüm için kabaca 87.840kW elektrik tüketilmesi [5] gerekir gibi görünüyor. Bugün için vergiler dahil Türkiye'deki elektrik fiyatı ortalama 0,43TL civarındadır [6] ki bu durumda yalnızca harcanan elektriğin maliyeti 37.771TL (Bugün itibarı ile 11.743 avro) olarak gerçekleşir. Bu fiyata ilk yatırım maliyeti, amortisman, işletme giderleri vesaire dahil olmadığında aslında gerçek maddî maliyet daha da yüksektir.

Bu ölçekte bir çözümün bile aslında bu yazıya konu olan hidrodinamik izlerin yeterli hassasiyette incelenebilmesi için oldukça yetersiz! kalabileceği düşünülürse gerçek donanım ihtiyaçlarının ne mertebede olabileceği ve eğer donanım sağlansa bile gerek hesaplama süreleri gerekse hesaplama/işletme maddî maliyetlerinin ne seviyelerde olabileceği az çok tahmin edilebilir. Hem süre hem de maddî maliyet konuları dikkâte alındığında aslında Türkiye için kısa ve orta vadede ağırlık verilmesi gereken yön de ortaya çıkmaktadır: Deney.

Deney ihtiyaçları

Bugün tehlikeli bir şekilde ülkedeki insanların zihinlerine yerleşmiş bulunan görüşün aksine; bilimin temeli deney ve gözlemdir, bilgisayarlar değil! Bilgisayar sadece bir araçtır, kalem ve kağıt gibi.

Bu demek değil ki yazılım ve donanım alanında çalışılmasın; deney ve benzetim birbirlerinin tamamlayıcısıdır. Yine de "sadece deney" yaklaşımı ile daima gelişme sağlayabilmek mümkün iken bunun aksine "sadece benzetim" yaklaşımı ile yalnızca gelişme sağlanıyormuş izlenimi oluşturulabilir. İki teknolojinin bir arada kullanılabilmesi ile ise dengeli bir gelişme mümkün olabilir.

 

Şunu da göz ardı etmemek gerekir ki bugün Türk üniversiteleri maalesef büyük ölçüde, aslında kendilerinden beklendiği ve olması gerektiği gibi yazılım (ve teknoloji, fikir, bilim, vesaire) üreticisi değil birkaç küresel ticari yazılım şirketinin müşterisi konumundadır.

Söz konusu ticâri yazılımların üniversitelere ve öğrencilere çok ucuza hatta bedavaya verilmesi (veya korsan kullanımın bizzat yazılım üreticileri tarafından el altında teşvik edilmesi) durumu düzeltmez bilâkis daha da kötüleştirir ve aslında durum üniversite öğrencilerine alışmaları için kantinde bedava eroin dağıtmaya benzer. Mesela bu gidişatın bir yansıması olarak üniversitelerimiz muhtemelen dünya üzerinde açık kaynaklı yazılım projelerine en uzak eğitim kurumlarındandır.

 

Fakat Türkiye'de gün geçtikçe daha da ihmâl edilen deney konusunu daha sonra ayrıca ele almaya çalışmak daha makûl olur...

 

♦ Açıklamalar

1. RANS: Reynolds Averaged Navier Stokes} - URANS: Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes [geri]
2. LES: Large Eddy Simulation - Büyük Girdap Benzetim [geri]
3. DNS: Direct Numerical Simulation - Doğrudan Sayısal Benzetim [geri]
4. KTH: İsveç Kraliyet Teknoloji Enstitüsü [geri]

♦ Kaynaklar

1. Resim.1) Computational Ship Hydrodynamics: Nowadays and Way Forward, 2012, Frederick Stern - Jianming Yang - Zhaoyuan Wang - Hamid Sadat-Hosseini - Maysam Mousaviraad - Shanti Bhushan - Tao Xing
2. Resim.2) Vidyo: https://youtu.be/cenIBqda8zA
3. A Comparison of Model-Scale Experimental Measurements and Computational Predictions for a Large Transom-Stern Wave, 2010, David A.Drazen - Anne M.Fullerton - Thomas C.Fu - Kristine L.C. Beale  Thomas T. O’Shea  Kyle A. Brucker - Douglas G. Dommermuth - Donald C. Wyatt - Shanti Bhushan - Pablo M. Carrica - Fred Stern
4. Resim.3) Vidyo: https://youtu.be/aR-hehP1pTk
5. Cray XC40-ACTM Supercomputer
6. Elektrik Fiyatı: http://www.bilgimanya.com/1-kw-h-elektrik-kac-tl-2015/
7. The Prospect of Using Les and Des in Engineering Design and the Research Required to Get There, 2014, Johan Larsson - Qiqi Wang
8. Application of Fully-resolved Large Eddy Simulation to KVLCC2 - Bare Hull Double Model at Model Ship Reynolds Number, 2012, Tatsuo Nishikawa - Yoshinobu Yamade - Masaru Sakuma - Chisachi Kato Kato
9. Large Eddy Simulation of Real Wall Bounded Flows, Christer Fureby
10. Gemi Arkasındaki Türbülansli Akışın Nümerik Hesaplanmasi, 1999, Barış Barlas - A.İhsan Aldoğan
11. 螺旋桨低频流噪声模拟方法研究, 2001, 龚京风 - 张文平 - 明平剑 - 宣领宽
12. Ship and Propulsor Hydrodynamics, 2010, Mattias Liefvendahl - Niklas Alin - Michel Chapuis - Christer Fureby - Urban Svennberg - Carl Tröeng
13. Vortex-Shedding Induced Trailing-Edge Acoustics, 2010, U.Svennberg - C.Fureby
14. Direct Numerical Simulation of Turbulent Flows, 1999, Anirudh Modi
15. Trailing Edge Noise Simulations .using IDDES in OpenFOAM, 2011, Olivier Verhoeven
16. New Journal of Physics 6, 2004
17. Numerical simulation of tonal and broadband hydrodynamic noises of non-cavitating underwater propeller, 2014, B. Mousavi - A. Rahrovi - S. Kheradmand
18. Computing Requirements in Computational Fluid Dynamics, 2010, Michael Krieger - Mirko Javurek - Stefan Pirker
19. Numerical Prediction of the Unsteady Flow and Radiated Noise from a 3D Lifting Airfoil, 2001, E.Manoha - S.Redonnet - C.Delahay - P.Sagaut - I. Mary - S.Ben Khelil - P.Guillen
 







Telif Hakkı © 1997-2017 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.