SeyrüseferSeyir DefteriMühendislik → İtalyan Kafasının Japonya Macerası

İtalyan Kafasının Japonya Macerası

Seyir Defteri - Mühendislik
Cuma, 22 Haziran 2018

W.270 Torpili19.Yüzyılın son çeyreğinde, hızla gelişmeye başlayan torpil tasarımları üzerinde yaşanan ve günümüze kadar süren uluslararası rekabet neticesinde daha hızlı, daha uzun menzilli ve daha tahrip edici silah hedefine ulaşabilme doğrultusunda çalışmalar devam etti. Bu teknoloji sahasında en köklü birkaç ülkeden biri olan İtalya, başlangıçtan itibaren daima önemli gelişmelerin yaşandığı bir bölge olmayı da sürdürdü.

İngiltere (1871) ve Hollanda'dan (1876) sonra 1889'da İtalya'da inşa edilen dünyanın üçüncü hidrodinamik deney havuzunun da diğer bâzı değişkenlerle birlikte bu gelişmelerde belirgin bir katkı yapmış olması kuvvetle muhtemeldir. 1935'e gelindiğinde saatte 50dmi hıza ulaşabilen dünyanın ilk torpili olan 533mm çapındaki W.270'in tasarımı da İtalya'da tamamlanmıştı.

7,2m uzunluğundaki W.270'in [Resim.1] en önemli tasarım ayrıntılarından biri hidrodinamik açıdan dikkâtlice geliştirilmiş olan kafa kesitinin şekliydi ve takip eden uzun seneler boyunca daha iyi bir tasarım ortaya konamadı.

Kendileri de torpil teknolojisi alanında yoğun olarak çalışmakta olan Japonlar, W.270'in hidrodinamik tasarıma bağlı yüksek sürât yeteneğinden çok etkilendiklerinden ve o dönem için dünyanın en üstün ısıl tahrik sistemlerini de geliştirmiş durumda bulunduklarından, kendi motorlarını daha gelişmiş bir hidrodinamik gövde ile birleştirebilmek amacıyla 1939 civarında İtalya'dan 10 kadar Whitehead W.270 torpili ithâl ettiler.


Siluro Veloce - W.270

Resim.1) 1930'larda geliştirilen ve döneminin dünya üzerindeki en hızlı torpili, italyan W.270 - Siluro Veloce.
İtalyanların bu alanda ne kadar önde gelen bir ülke olduğunu anlatabilmek için aslında başka bir açıklama tek başına yeterli olabilir:
Bugün dünya üzerindeki ülkelerin tamamına yakını için, anglo-amerikan etkisinde olanlar açısından bu silahın ismi "Torpedo", fransız etkisinde olanlar için ise "Torpille"dir.
Bu durumun istisnalarından biri ise söz konusu silahı "Siluro" olarak adlandıran italyanlardır; başlı başına saygı uyandırıcı bir durum.
Geçtiğimiz iki asır boyunca kimliğini ve içtimaî ruhunu yavaş yavaş kaybedip oradan oraya savrulup duran bizim hâlimize gelirsek; daha eskiden efrenç illerinde yaşayanlara hayran olduğumuz dönemlerde buna torpil derdik, artık kendimiz gringo sandığımız için olsa gerek(!) torpido diyoruz.
Ben mecburen torpil demeyi tercih ediyorum çünkü en azından Türkçe'ye girişi daha eski ve üstelik mesela dedesi donanmada bu silahların uzmanı olduğu için soyadı kanunu çıktığında Torpil soyadı alanlar dahi mevcutken ve "torpil yapmak" ifadesindeki gibi bu kelime deyimlere bile girmişken hiç olmazsa bu tercih biraz daha mâkûl gibi...


Böylece japonlar açısından bakıldığında, bu italyan tasarımının gelişmiş tarafları doğrudan kopyalanarak daha üstün nitelikli torpiller imâl edebilmeleri mümkün olabilecekti. 1942'den itibaren bu çalışmalar ilk meyvelerini vermeye de başladı. Mesela meşhur Tip 93 torpilinin Model.2 olarak tanımlanan sürümünde, daha fazla güç için yapısal olarak takviye edilmiş bir motor ile birlikte W.270 kafa tasarımını da kullanarak, silahın sürâtini saatte 49dmi'nden 56'dmi'ne çıkartmayı başardılarsa da bu torpil başka bazı sebeplerle kullanıma giremedi.


450mm Japon Torpili ve Deneme Kafası

Resim.2) 450mm Japon Tip 97 torpilinin atış denemesi başlığı. Kafa içindeki cihazlar silahın fırlatıldıktan sonra elde ettiği sürât, derinlik gibi değerleri daha sonra incelenmek üzere kaydetmekteydi.[3]


ABD tarafından Japonyanın işgâlinden hemen sonra muhtelif askeri ve sanayi tesis ve altyapılarına yönelik olarak gerçekleştirilen istihbaratî incelemelerin değerlendirildiği raporların üzerindeki gizliliklerin kaldırılmaya başlanmasıyla birlikte, yakın zamanda herkes tarafından ulaşılabilir hâle gelmesi sonucunda pek çok konuda olduğu gibi dönemin japon torpil teknolojisi alanında da ayrıntılı bâzı verilere [3] ulaşabilmek artık mümkün hâle geldi.

Bu vesileyle [3] gibi kaynaklar üzerinde rastladığım ilgi çekici verileri biraz daha ayrıntılı incelemek de iyi bir fikir gibi görünmeye başladı, ne de olsa insanoğlunun tamamen faydasız ve boş işlerle zamanını heba etmeye büyük bir meyli vardı...

[Resim.2] üzerinde 1930-40 döneminin japon torpil kafa tasarımına ait bir kesit görülebilir. Bu çizimdeki kesit üzerinden elde edilen geometri çok küçük bir iki farkla [1:1,7] eliptik kafa kesitine işaret etmektedir ki belgenin yaşı düşünüldüğünde söz konusu küçük farklar çizimdeki hatalardan veya kağıt üzerindeki şekil bozukluklarından vs. kaynaklanmış olabilir.

[Resim.3] üzerinde bir örneği görülen japonların meşhur insanlı intihar torpili tasarımı olan Kaiten'e ait kafa kesiti ise temelde italyan W.270 tasarımına dayanmaktaydı. Yazının devamında bu iki kafa tasarımından sırasıyla eskiJapon ve italyanJapon olarak bahsedilecektir.


Japon İnsanlı Torpili Kaiten'in Kafası

Resim.3) Meşhur Japon insanlı intihar torpili Kaiten üzerinde de italyan kafa tasarımı kullanılmıştı.


1946 tarihli kaynak [3] üzerinde yayınlanan italyanJapon kesit ölçüleri aşağıda bahsi geçecek bazı HAD1 çalışmalarında kullanılmıştır. Bununla birlikte söz konusu rapordaki ölçümler yeterli hassasiyette yapılmadığından sunulan endaze üzerinde bilgisayar destekli bazı küçük düzeltmeler yapmak da gerekli olmuştur. Son olarak aynı raporda japonların W.270 kafasını hafifçe değiştirdikleri ve kendilerine uyarladıkları belirtilmiş olsa da bu farkın evsâfı hakkında bir bilgi verilmemiştir.

Nihâyetinde biraz tarihî mühendislik, biraz tersine mühendislik ve azıcık düzüne mühendislik vasıtasıyla o günlerin japon torpil kafası tasarımlarının sınırlı ölçüde bir hidrodinamik incelemesini gerçekleştirebilmek ve eskiJapon ile italyanJapon arasında meydana gelen ve muhtelif kaynaklarda ~2dmi/saat olarak beyan edilen hız farkının kökenlerini biraz araştırabilmek mümkün oldu.

Bahsi geçen eski istihbarat kaynağında yayınlanan 2.080mm uzunluğundaki 533mm italyanJapon kafa kesitinin ölçüleri temel alındı. Karşılaştırmada kullanılacak eskiJapon kafa tasarımı için ise yukarıda ayrıntıları açıklandığı üzere [Resim.2]'deki gibi eliptik bir kafa kullanıldı. Her iki kafa geometrisi 1m uzunluğundaki paralel bir gövdeye ve yine 1m uzunluğundaki parabolik bir kuyruğa sahip eşdeğer bir yapı üzerine bağlandı.


Gmsh 3.0.4 ile OpenFOAM için üretilen eksensimetrik melez hesaplama örgüsü

Resim.4) Gmsh (3.0.4) ile OpenFOAM (2.3.1) için üretilen 2B eksensimetrik melez hesaplama örgüsü. Oldukça yüksek Re sebebiyle ortalama y+ şimdilik ~35 civarında tutularak duvar fonksiyonları kullanmak ve böylece çözüm sürelerini kısa tutabilmek yoluna gidildi. Burada, kullanılan hesaplama örgüsünün genel hatları ve baş omuzluk civarında sınır tabaka düzenli örgü katmanı görülüyor.


Aslında dönemin 533mm torpilleri 6,5-7m uzunluğundaydı fakat burada asıl maksat nicelik değil de kafa tasarımlarının niteliklerini karşılaştırmaktan ibâret olduğundan gövde kısa tutularak hesaplama sürelerinden biraz tasarruf yapılması daha uygun göründü.


Modelleme 533mm çapında ve 4,08m uzunluğunda kavramsal iki torpil için 1:1 ölçeğinde, gerçek Re için ve gerçekçi akışkan şartlarında kurgulandı. Ortam olarak 20°C'de %0,30 tuzluluğa sahip deniz suyu kullanıldı ki yoğunluk 1021,1kg/m3 ve kinematik lüzûciyet 1,043e-06m2/sn olarak seçildi. Bu durumda 50dmi/saat sürât için ReL= ~100e06 ve ReD= 13,15e06 şeklinde gerçekleşti.


HAD incelemelerinin yapılabilmesi için gerekli olan önişlem safhasında Gmsh adlı açık-kaynak yazılım kullanılarak 2B Eksensimetrik melez örgüler [Resim.4] üretildi. 1:1 ölçeğinde tanımlanan problemin sunduğu oldukça yüksek Reynolds sayıları sebebiyle sınır tabakanın tam olarak çözülebilmesi için gereken y+<1 ihtiyacını karşılayabilmek için çok yüksek çözünürlüklere ihtiyaç duyulduğundan şimdilik y+ ortalama ~35 civarında tutulup duvar fonksiyonları kullanılmak suretiyle hesaplama süreleri mâkûl sınırlar içinde tutuldu.

Yine de 2B eksensimetrik örgü kullanılması sebebiyle sadece Hücum Açısı=0 durumu için hesaplamalar yapılması bir eksiklik olarak kabûl edilebilir zîra asıl ilgi çekici bölge HA'nın 1-3derece aralığındaydı fakat şimdilik 3B inceleme için zaman ve imkân yoktu.

eskiJapon ve italyanJapon kafalarına sahip torpiller üzerinde hesaplanan basınç dağılımları

Resim.5) eskiJapon ve italyanJapon kafalarına sahip kavramsal torpiller üzerinde 50dmi/saat için hesaplanan basınç dağılımları. Eksen üzerinde görülen torpil italyanJapon kafasına sahiptir. Sonişlemci Paraview 4.1 ve gnumeric 1.12


Hesaplama amacıyla açık-kaynaklı OpenFOAM yazılımı kullanıldı. RANS2 yaklaşımı ile bir karşılaştırma yeterli görüldü. Türbülans modeli olarak başlangıç için Spalart-Allmaras tercih edildi. Bununla birlikte OpenFOAM içinde hazır gelen [fv3] uyarlaması eskiJapon - italyanJapon karşılaştırması için başarılı olamadı!

Bu durumda daha önce birkaç kez ele alındığı üzere "Dönme Eğrilik Düzeltmesi (RCC3)" yeteneğine sahip SpalartAllmaras uyarlamaları denendi ve daha iyi sonuç alındı ki bu sayfada sunulan ilk sonuçlar SpalartAllmaras-SimplerRCC (Cr1=1, Cr2=12, Cr3=0,6) ile elde edilmiştir.


eskiJapon ve italyanJapon kafalarına sahip torpiller üzerinde hesaplanan direnç bileşenleri

Resim.6) eskiJapon ve italyanJapon kafalarına sahip kavramsal torpiller üzerinde hesaplanan basınç ve lüzûcîyet kökenli direnç bileşenlerinin, düz yüzüş için seyir hızlarına bağlı olarak elde edilen oranları. Sonişlemci Paraview 4.1 ve gnumeric 1.12


Şimdilik sadece HA=0° için elde edilen sonuçlara ait birkaç temel karşılaştırma verisi [Resim.5, 6, 7] üzerinde görülebilir. Bilhassa kafa üzerindeki basınç dağılımının işaret ettiği üzere italyanJapon kafasının oldukça farklı bir kavitasyon davranışına sahip olduğu anlaşılabilir. Diğer taraftan burada akış sadece tek safhalı olarak modellendiği için kavitasyonun akış ve toplam direnç üzerindeki etkisi de ihmâl edilmiş oldu. İlave olarak laminer ayrılmanın kavitasyon üzerindeki muhtemel etkisinin de göz önünde tutulması gerekirdi.

Gerçekleştirilen bu hızlı hesaplamalı değerlendirme neticesinde italyanJapon kafasının eskiJapon kafasından daha iyi direnç davranışına sahip olduğu sonucu doğrulandı. Diğer taraftan elde edilen hesaplamalı kazanç değeri beyan edilen gerçek kazancın altında kaldı.

Bu durumun bir diğer sebebi de her ne kadar akış yüksek Re sınıfından olsa da torpil kafalarının burun bölgelerindeki laminer-türbülans geçiş davranışının şimdilik kapsam dışında bırakılması ve tam türbülanslı bir model kullanılması oldu. Beklenebileceği üzere bu tür bir yaklaşım ile hesaplanan direnç değerlerinin, gerçek değerlere oranla oldukça yüksek sonuçlanması sıklıkla karşılaşılan bir husustur.

Bilâhare bir geçiş modeli kullanılarak laminer-türbülanslı akışın toplam direnç üzerindeki etkisi incelenebilirse konuyla ilgili bir güncelleme sayfaya ilave edilebilir...


Japon torpil kafaları etrafında hesaplanan basınç dağılımları

Resim.7) Japon torpil kafaları etrafında hesaplanan basınç dağılımları. Sonişlemci Paraview 4.1.


Daha etkili bir çözüm elde edebilmek için 3B inceleme, sıfırdan farklı hücum açıları, kavistasyonun etkisini konuya dahil edebilmek için çift safhalı akış modellemesi, sınır tabakanın tam olarak çözülebilmesi için y+<1 ve zamana bağlı çözüm için en azından URANS4 veya DES5 ile çalışmak gerekir gibi görünüyor ki bütün bunlar problemin sıradan bir masaüstü bilgisayar ile çözülemeyecek kadar büyümesi anlamına gelmektedir. Mecburen konunun bu boyutunu gençlere bırakıyorum...


Güdümsüz Tip 72 Torpili

Resim.8) Güdümsüz, yüksek sürâtli Tip 72 (G-5) ağır torpili.[4]


İkinci Dünya Savaşı sonrasında üretilen ilk japon torpili olan ve 65dmi/saat gibi bugün için dahi son derece yüksek bir hıza sahip olan ve günümüzde hizmette olmayan, yukarıdaki Tip 72 torpili üzerinde de italyanJapon kafası kullanılmış olabilir ama yine de sadece bu fotoğrafa [Resim.8] bakarak kesin birşey söyleyebilmek pek mümkün değil...

♦ Açıklamalar

1. HAD: Hesaplamalı Akışkan Dinamiği [geri]
2. RANS: Reynolds Averaged Navier Stokes [geri]
3. RCC: Rotation Curvature Correction [geri]
4. URANS: Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes [geri]
5. DES: Detached Eddy Simulation [geri]

♦ Kaynaklar

1. Torpedo: The Complete History of the World's Most Revolutionary Naval Weapon, Roger Branfill-Cook
2. The "Italian Period" of the Whitehead Torpedo Factory of Fiume (Rijeka) and the Foundation in Livorno of Whitehead Moto Fides (WMF-1945) and of Whitehead Alenia Sıstemi Subacquei (WASS–1995), Benito Petrucci
3. Japanese Ordnance Research Article 3 - Torpedo Models, 1946, U.S. Naval Technical Mission to Japan
4. Kure Müzesinden - https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Collections_of_the_JMSDF_Kure_Museum
 







Telif Hakkı © 1997-2018 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.