Mühendislik

Önceki bölümde Takviyesiz İnce Cidarlı Konik Kabuklar sonlu elemanlar yöntemi yaklaşımı ile kısaca ele alındıktan sonra denizaltı mukavim tekneleri üzerinde de yaygın olarak kullanılmasıyla önemli bir yapısal alt başlık olan kemerelerle desteklenmiş takviyeli koni konusuna sıra geldi.

Bu tür bir çalışmada denel doğrulama faaliyeti son derece önemli olduğu için konuya yine bu doğrultuda bir giriş yapmak uygun olacaktı ve kolayca ulaşılabileceği için [1] üzerinde yayınlanan deney ve hesaplama çalışmalarının temel alınması tercih edildi.

İnce cidarlı konik kabuklar mühendisliğin bâzı alanlarında sıklıkla kullanılır ki denizcilik ve havacılık bu uygulama sahalarından en önde gelenleridir. Bu tür bir yapının tasarımında dikkât edilmesi gereken öncelikli husus, yük altındaki kabuğun yapısal kararlığını sürdürebilme yeteneğini doğru olarak tespit edebilmektir.

Burada sadece denizcilik uygulamalarına ve bu alan içinden de temel olarak sualtı uygulamalarına odaklanılacağı için muhtelif yükleme seçenekleri arasından ağırlıklı olarak hidrostatik basınç altındaki davranışları ele alınacaktır. Konik yapılar hakkındaki kısa değerlendirme toplam üç safhadan meydana gelecektir:

Manevra yapan bir denizaltının etrafında oluşan akış, gövdeden ve takıntılardan dökülen karmaşık ve üç boyutlu girdap yapılarının [Resim.1] hâkimiyeti altındadır. Bu girdapların, değişen hücum açılarına göre, kaldırma ve moment üzerinde doğrusal-olmayan bir değişime sebep olmaları da meseleyi zorlaştırdığı gibi konunun hidrodinamik tasarım çalışmalarındaki önemini iyice arttırmaktadır.

1980'ler denizaltı hidrodinamiğine yönelik denel çalışmalar açısından önemli gelişmelerin yaşandığı bir dönem olarak tanımlanabilir. ABD'de Darpa tarafından desteklenen Suboff ağırlıklı çalışmalar gerçekleştirilirken okyanusun diğer tarafında, İngiltere'de de biraz daha dar kapsamlı olsa da bâzı faaliyetler yürütülmekteydi.

V kesitli kayıcı tekne formlarının geliştirilmeye ve kullanılmaya başlanmasının kökeni oldukça eski tarihlere kadar uzanmaktadır. Bu yöndeki ilerlemeleri tetikleyen birkaç farklı etken mevcut olmakla birlikte başlangıçtaki temel itici gücün küçük ve çok hızlı deniz araçlarının inşa edilmesi arzusu olduğu söylenebilir.

İlginç bir şekilde, ABD'de 1920-1933 arasında uygulanan meşhur içki yasağı böyle tekne tasarımlarının geliştirilmesi yönünde büyük bir sıçrama yaşanmasına sebep olmuştu, zirâ bu yasak sayesinde özellikle göller bölgesinde, kuzeydeki Kanada'dan küçük ve yüksek sürâtli teknelerle güney yönüne içki kaçakçılığı yapmak yoluyla çok büyük kazançlar elde edilebiliyordu.

Kısa bir süre önce ele alınan Darpa Suboff gövdesinin 2 Boyutlu direnç çözümlerinin devamı niteliğinde eşdeğer modelleme ve çözüm yaklaşımı kullanılmak suretiyle bu kez 3 Boyutlu bir değerlendirmeden bahsedilecek.

Suboff çıplak teknesinin yarım gövdesinden oluşan 3B modeli temelinde OpenFOAM ile elde edilen direnç değerlerinin 2B çözümler ile karşılaştırılması ve bir miktar renkli resimden müteşekkil bazı son işlem görüntülerinin sunulmasıyla da mevzu kapatılacak.

Hesaplamalı denizaltı hidrodinamiği alanındaki en yaygın çalışma modeli olan Darpa Suboff temelli bu ikinci bölümde düz yüzüş ve derin su şartlarındaki direncin hesaplanması ve deney verileriyle [4] karşılaştırılması gerçekleştirilecek.

Kullanılacak yaklaşım ile öncelikle çıplak tekne (AFF-1) ve biraz da çıplak tekne + nozul-1 (AFF-6) yapılandırmasının direnç nitelikleri tamamen açık kaynaklı ve özgür yazılımlar kullanılmak sûretiyle ve 2B eksensimetrik akış-modeli yoluyla incelenecek.

Savaş sonrası dönem itibarıyla denizaltı teknolojisine yönelik ilk çalışmalar hidrodinamik ağırlıklı bir ilerleme göstermeye başlamıştır ki günümüze kadar bu eğilim devam etmiştir. İlk örnek 58 Serisi olarak tanımlanan ve direnç niteliklerinin iyileştirilmesi amaçlı gerçekleştirilen birinci nesil denilebilecek denel faaliyettir.

İzleyen dönemde bu tür sistematik seri çalışmaları farklı ülkelere de yayılmaya başlamış ve sonrasında ortaya çıkan ikinci nesil çalışmalarda ise hidrodinamiğin, dirençten çok daha zorlu alanlarına doğru bir kayma başlamıştır. Temel verilerine açık kaynaklarda ulaşılabildiği için dünya çapında büyük bir yaygınlık kazanan Suboff adlı model serisi bu yeni türün en önemli temsilcisi olarak da kabûl edilebilir.

Geçmiş dönemde 6:1 Uzatılmış Küre geometrisi hakkında muhtelif yazılar yayınlanmıştı ki konuyla alâkalı deney verilerine [7] vs. gibi kaynaklar üzerinden kolayca ulaşılabilmesi, Hesaplamalı Akışkan Dinamiği incelemelerinin bâzı alanları için bu çalışmanın gâyet uygun bir başlangıç noktası olmasına sebep olmuştu.

Daha yakın dönemde söz konusu cisim temelinde ele alınan bazı önişlem örnek çalışmalarının devamı niteliğinde bu kez Gmsh, OpenFOAM, Gnuplot ve Paraview kullanılarak, geometri olarak kolay görünen ama akış şartları açısından hesaplamalı yöntemleri oldukça zorlayabilen böyle bir konunun, bir örnek olarak başlangıcından sonuna kadar nasıl ele alınabileceği adım adım gösterilmeye çalışılacak.

Basınç taşımak amacıyla tasarlanan ince cidarlı kubbeler için kullanılan geometrik şekillerden birini de melez küre olarak da tanımlanabilecek cisimler meydana getirir. Şimdi burada simitkürevî olarak adlandırılacak olan yapılardan kısaca bahsedilecektir.

Simitküre ifâdesi adından da anlaşılabileceği üzere daire kesitli bir simit ile bir (sığ) kürenin teğet hattında birleştirilmesiyle elde edilen kubbe yapısını tanımlamaktadır ki cismin genel yapısı aşağıdaki [Resim.2] üzerinde görülebilir.

Kalan süre iyice azaldığı için hızlanmak gerekiyordu, bu durumda mukâvim tekne uçlarını kapatmaya yönelik yaklaşımlar üzerindeki değerlendirmelere kısaca da olsa daha hızlı devam etmek lâzımdı. Şimdi konunun bu üçüncü bölümünde sığ küreler ele alınacak.

Bir yarıküre üzerinde, azami çapından daha küçük bir bölümün meydana getirdiği yüzey parçası olarak açıklanabilecek sığ küreler mevcut bütün seçenekler içinde denizaltılar üzerinde kullanılması en çok tercih edilen geometrik yapılar olarak ifâde edilebilir.

Basınç taşıyan yapıların tasarımında çok önemli bir yeri olan küre temelli cisimlerin burkulma davranışları hakkındaki temel bir giriş, yarıküre üzerinden önceki bölümde ele alınmıştı. Şimdi küre kökenli bir başka cisim olan elipsoitler bu açıdan incelenecektir.

Gerçek kürenin eksenlerden biri doğrultusunda uzatılması veya basılması ile elde edilen ve bu sebeple uzatılmış küre ve basık küre olarak da adlandırılan, eksenel simetriye sahip, elips kesitlerinden meydana gelen bu tür cisimler de yük altında ince cidarlı taşıyıcı yapılar imâl etme yönünde önemli seçeneklerden birini meydana getirmektedir.

Hidrostatik yüklü kürevî kabuklar ki uygulama anlamında yarım küreden sığ küreye kadar farklı şekillerde kullanılır; elasik, plastik veya elasto-plastik olarak burkulabilir. Bu konuyla ilgili yayınlanmış 1915 tarihli ilk bilimsel belge İsviçreli makina mühendisi Robert Zoelly'ye aittir [3] ve elastik bölgede eksensimetrik burkulma kabûlûne dayanır.

Bu önemli mühendislik sahasındaki çalışmalar 1917'de Leibenson, 1922'de Schwerin ve hemen sonrasında da van der Neut tarafından sürdürülmüştür. Genel kabuk eşitliklerinin doğrusal çözüm sürümlerine dayanan küçük miktarda esnek şekil değiştirme temelli Zoelly ve sonrasındaki bu yaklaşımlar aşağıdaki [e.1] eşitliğinde ifade edilen hidrostatik burkulma basıncına işaret eder: