7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 107 -
AÇIK TİPTEN RIHTIMLARDA ETKİLİ GEMİ PERVANE
JETLERİNİN HİDRODİNAMİĞİ
Yalçın YÜKSEL1, Yeşim ÇELİKOĞLU2, Selahattin KAYHAN3,
Kubilay CİHAN4, Berna AYAT5
Prof. Dr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, [email protected]
1
2
3
Doç. Dr. YTÜ, İstanbul, Türkiye, [email protected]
YL Öğr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, [email protected]
4
Araş. Gör. Dr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, [email protected]
5
Araş. Gör. Dr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, [email protected]
ÖZET
Bu çalışmada farklı şev eğimlerine sahip açık tipten rıhtımlarda etkli olan farklı büyüklüklerdeki gemi pervaneleri modellenerek yarattıkları akım alanlarının bu rıhtımlarda oluşturdukları
taban kayma gerilmeleri hot film anonometresi yardımıyla belirlenmiştir. Böylece bu tip rıhtımların etkisi altında kaldıkları akım alanının hidrodinamik yapısı anlaşılmaya çalışılmıştır.
Anahtar Kelimeler : Gemi Pervane Jeti, Açık Tip Rıhtım, Pervane Erozyonu
Hydrodynamics of Open Type Quay Walls under Ship Propeller Jets
ABSTRACT
In this study, shear stresses on open quay structures with different slope angles due to propellers modelled with different dimensions were determined by using hot film anemometer. And
also Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used to determine the flow area. Consequently,
hydrodynamics of flow area on this type quay structures have been tried to understand.
Key Words : Propeller jet, Open guay structure, erosion induced propeller
GİRİŞ
Son yıllarda limanların bakımı ve projelendirilmesinde pervanelerin meydana getirdiği oyulma
problemleri önemli hale gelmiştir. Genellikle modern gemilerin seyir hızlarını artırmak için yüksek güçte makineler ve kolay manevra yapmak için de ek pervaneler ilave edilmektedir. İşletme
ve ekonomik nedenler yüzünden şimdi birçok modern gemiler kendi güçleri ile römorkörlerin
yardımı olmaksızın kısa bir zamanda yanaşmayı başarabilmektedirler. Bu faktörler, gemi pervanelerinin meydana getirdiği zararların daha sık meydana gelmesine neden olmaktadır.
Rıhtım yapıları Ro-Ro gemilerinin yüklerini yanaşma yerinde kapak atma rampa sistemine yanaşarak boşaltmaları esnasında ve bazı gemilerin de manevra işlemi sırasında baş ve kıç (ana)
pervanelerini kullanmaları nedeniyle su jetinin etkisinde kalmaktadırlar (Şekil 1). Gemilerin de-
- 108 -
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
mirlemeleri ve demir almaları sırasında pervane suyu ile oluşan katı madde hareketi oyulmayla
birlikte yığılmaya da neden olabilmektedir ve bu da yanaşma yerlerinin stabilitelerini etkilemektedir. Pervanelerin meydana getirdiği bu oyulma problemlerinin artması artık uluslararası
bir sorun haline gelmiştir.
Rıhtımlar açık ve kapalı tip olmak üzere iki farklı tipten inşa edilmektedirler. Açık tip rıhtımlar
genellikle kazıklı olarak inşa edilirler ve şevli bir yapı ile rıhtımı oluşturmaktadırlar (Şekil 1). Bu
şevli yapı farklı eğimlerde tasarlanabilmektedirler. Şevli yapı sakin su yüzeyine yakın bölgesi
dalga etkisinde tabana yakın kısmı ise gemi pervane jeti etkisinde erozyona uğrayabilmektedir.
Her iki durumda rıhtım işletmesinin durmasına neden olmaktadır.
(a) Plan
(b) Kesit
(c) Pervane jeti
Şekil 1 Açık rıhtım şevi ve erozyon bölgesi
Chin ve diğ. (1996) yaptıkları çalışmada su jeti nedeniyle kazıklı rıhtımlarda meydana gelen
oyulmayı incelemişlerdir. Deneyler sonucunda olaya etkin büyüklükler arasında yapılan boyut analizi ile iki farklı oyulma derinliği tanımlamışlardır. Bunlardan birincisi, kazığın memba
kısmında meydana gelen maksimum oyulma derinliği (Ss), ikincisi ise kazığın hemen önündeki
maksimum oyulma (S) derinliğidir. Denge durumu aşağıdaki gibi ifade edilmiştir:

SS
S
X D
veya
 f  Frd , , 
d0
d0
h do 

(1)
Burada, D kazık çapı, d0 su jetinin çapı, h su derinliği, Frd yoğunluk Froude sayısı
(=
), U0 su jetinin ortalama çıkış hızı, ρs taban malzemesinin özgül kütlesi, ρ
akışkanın özgül kütlesi, g yerçekimi ivmesi, X etki mesafesi (Duvar jetinin çıkış noktası ile kazık
arasındaki yatay mesafe) ile ifade edilmiştir (Şekil 2).
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 109 -
Şekil 2 Jet ekseninde kazık etrafında meydana gelen oyulma çukuru geometrisi
(Yüksel ve diğ., 2002)
Chin ve diğ., (1996) X/d0=0.5-41.3 ve D/d0= 0-21 (Burada 0, kazık olmaması durumunu ifade
etmektedir.) şartlarında maksimum oyulma derinliğinin (Ss) yoğunluk Froude sayısıyla değişimini aşağıdaki bağıntı ile ifade etmişlerdir;
Ss/d0= 0.21 Frd
(2)
Sümer ve diğ. (1993) yaptıkları çalışmada iki bileşenli hot-film prob kullanarak, bir dalga kanalında meydana gelen dalgalara maruz kalan düşey silindir yakınındaki taban kayma gerilmesini
ölçmüşlerdir. Bu çalışmanın amacı, ters akımların mevcut olduğu kararsız akım durumunda,
anlık taban kayma gerilmesi şiddeti ve yönünün ölçülebilmesine olanak sağlayan bir yöntem
geliştirmektir. Yöntem, akım ve dalganın bir arada oluşturulduğu deneylerde başarıyla kullanılmıştır. Ayrıca yöntem, düşey silindir durumunda taban kayma gerilmesi ölçümlerinde de kullanılmıştır. Böylece limanlardaki rıhtım kazıklarının çevresindeki oyulma süreci de belirlenmiştir.
Roulund ve diğ. (2005) kazık etrafındaki akım alanını modellemişlerdir. Kazık etrafında taban
kayma gerilmesini ölçmüşler ve maksimum kayma gerilmesinin θ=45-75° arasında değiştiğini
belirlemişlerdir.
Schokking (2002) yaptıkları çalışmada pervane jeti etkisinde anroşman bir şev üzerinde meydana gelen hasarı hem deneysel olarak hem de sahada incelemişlerdir. Deneysel çalışmada,
serbest bir pervane jet akımını ve yuva içindeki pervane akımını dikkate almışlardır. Deneylerde, ilk olarak hız ölçümlerini serbest pervane jeti (free propeller) ve yuva içindeki pervane jeti
(ducted propeller) için gerçekleştirmişlerdir. Hız ölçümlerinden sonra, serbest pervane jeti (free
propeller) ve yuva içindeki pervane jeti (ducted propeller) için hasar deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Her iki pervane akım tipi için en büyük hasar şevin topuğunda meydana gelmiştir.
Ancak, en yüksek hızın meydana geldiği pervane ekseni şevde daha yukarıda bir noktaya karşılık gelmektedir. Bu da, meydana gelen maksimum hasarın ortalama hızla doğrudan ilişkili
olmadığını göstermektedir.
Kapalı ve açık tip rıhtımlardaki pervane jeti nedeniyle meydana gelen erozyona yönelik literatürde oldukça fazla çalışma bulunmasına karşın açık tip rıhtımların şevli yapısı üzerinde jetin
yarattığı akım yapısına ilişkin yeterli çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada farklı şev eğimleri üzerinde pervane jetinden dolayı oluşan taban kayma gerilmesinin değişimi araştırılarak
verilmiştir.
YÖNTEM
Deneyler Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrolik ve Kıyı-Liman Laboratuarında 12´1´1 m3 boyutlarında ölçüm yapılan 6 m lik bölgesinde her iki tarafı cam, kalan kısımlarda her iki tarafı saç olan
bir kanalda yapılmıştır (Şekil 3). Kanalın içine pervane jetini oluşturacak sistem kurulmuştur.
- 110 -
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
Şekil 3 Deney Sistemi, a) Yandan görünüş (boykesit) b) Üstten görünüş
Bu çalışmada, akım alanındaki taban kayma gerilmeleri ölçülmüştür. Deneylerde akım davranışını en doğru şekilde belirlemek için, akım alanını rahatsız etmeyen hot film probe kullanılmıştır. Deneyler, pleksiglas levhalardan yapılmış farklı şev eğimleri (S=1/m olmak üzere
S1=1/1.5; S2=1/2.0; S3=1/2.5 ve yatay taban S4=0) için gerçekleştirilmiştir. Şevin başlangıç konumuna kazık yerleştirilmiştir. Kullanılan kazık çapı D=40mm’dir. Deneylerde 3 farklı pervane
ve her bir pervane için 560 rpm (40 Hz), 630 rpm (45 Hz), ve 695 rpm (50 Hz) hızları dikkate
alınmıştır. Böylece şev eğiminin ve pervanenin etkisi araştırılmıştır. Deney sisteminde kullanılan pervaneye ait özellikler Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1 Pervane Özellikleri
Pervane çapı, Dp
Dp1=7 cm
Dp2=10 cm
Dp3=13 cm
Kanat sayısı, N
4
4
4
Pitch, P’
1.35
1.4
1.4
Kanat alan oranı, 
0.5
0.4
0.6
İtiş katsayısı, Ct
0.35
0.51
0.35
Şekil 4 Ölçüm şeması
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 111 -
Kayma gerilmesi ölçümleri, kazık mansabında farklı şevlerde ve kazık menbasında düzlem tabanda gerçekleştirilmiştir. Sabit kazık etrafında meydana gelen akım alanını belirlemek amacıyla pervaneden kazığa olan uzaklık ile kazıktan mansaba doğru olan uzaklık kazık çapının (d0)
katları şeklinde seçilmiştir. Şekil 4’de ölçüm şeması verilmiştir. Şekilde görülen x, pervaneden
mansaba doğru olan yatay mesafeyi göstermektedir. Ayrıca deney koşulları da Tablo 2’de özetlenmiştir.
Tablo 2 Deney koşulları
Dp (cm)
7
10
13
n
Lm
Frd
Re
4.30
8975.17
4.80
10016.93
5.29
11058.69
7.41
14653.33
8.27
16354.17
9.13
18055.00
Rpm
Hz
560
40
630
45
695
50
560
40
630
45
695
50
560
40
7.80
37146.20
630
45
8.91
41457.83
695
50
9.83
45769.43
0.0137
0.0157
0.0306
Deneylerde kullanılan yoğunluk Froude sayısı (Frd) aşağıdaki ifadeden elde edilmiştir,
Frd 
U0
gd50  s    
(3)
burada U0 jet çıkış hızı, d50 taban malzemesinin medyan çapı, ρ suyun özgül kütlesi, ρs taban
malzemesinin özgül kütlesi, g yerçekimi ivmesidir. Re sayısı ise pervane hızına bağlı olarak
Re 
n Dp L m

(4)
elde edilmiştir. Burada n devir sayısı (=Rpm/60), Dp pervane çapı, Lm pervane özellikleriyle değişen bir katsayı ve n suyun kinematik viskozitesidir.
DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME
Şekil 5, 6 ve 7’de, farklı çaptan pervaneler dikkate alınarak her bir şev için farklı pervane hızlarında kazık menba ve mansabında pervane ekseni doğrultusunda elde edilen boyutsuz taban
kayma gerilmesi dağılımları görülmektedir. Pervaneden kazığa kadar kayma gerilmesinin arttığı kazıktan sonra ise kazığın hemen mansabında bütün şev eğimleri için kayma gerilmesinin
azaldığı görülmektedir. Kazıktan uzaklaştıkça kayma gerilmesi en dik şev eğimi için bir miktar
artıp pervane etkisinin azalmasından dolayı sabit kalmaktadır. Şev yatıklaştıkça kayma gerilmesinin kazığın hemen mansabındaki değeri çok fazla değişmemektedir. Aynı zamanda yine
şev yatıklaştıkça aynı konumlardaki kayma gerilmesi değerlerinin de azaldığı görülmektedir.
Küçük pervanelerde şev eğiminin etkisi cok fazla olmamakla birlikte büyük pervanelerde daha
belirginleşmektedir. Pervane ekseni S1=1/1.5 şevi için x=13.5d0 konumuna, S2=1/2 ve S3=1/2.5
şevleri için x=18.5d0 konumuna karşılık geldiğinden bu konumlarda kayma gerilmesi değerlerinde sıçramalar görülmüştür.
- 112 -
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
Şekil 5 Kazık menba ve mansabında Dp1=7 cm için farklı pervane hızlarında kayma
gerilmesinin dağılımı
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 113 -
Şekil 5 Devam
Şekil 6 Kazık menba ve mansabında Dp2=10 cm için farklı pervane hızlarında kayma
gerilmesinin dağılımı
- 114 -
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
Şekil 6 Devam
Şekil 7 Kazık menba ve mansabında Dp3=13 cm için farklı pervane hızlarında kayma
gerilmesinin dağılımı
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 115 -
Şekil 7 Devam
Şekil 8’de ise farklı çaptaki pervanelerde aynı pervane hızı dikkate alınarak şev eğiminin etkisi
belirlenmiştir. Genel olarak şev eğimi yatıklaştıkça aynı ölçüm noktasındaki kayma gerilmesi
değerinin azaldığı görülmektedir. Bu şekilden de Dp1=7 cm çaplı pervane için şev etkisi yeterince
belirgin değildir. Ancak Dp2=10 cm ve Dp3=13 cm çaplı pervanelerde şev etkisi daha belirgindir.
- 116 -
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
Şekil 8 Farklı çaptaki pervanelerde aynı pervane hızı için şev eğiminin etkisi
7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu
- 117 -
SONUÇLAR
Farklı çaptan pervaneler dikkate alındığında her bir şev için farklı pervane hızlarında kazık
menba ve mansabında pervane ekseni doğrultusunda, pervaneden kazığa kadar kayma gerilmesinin arttığı kazıktan sonra ise kazığın hemen mansabında bütün şev eğimleri için kayma
gerilmesinin azaldığı görülmektedir.
Kazıktan mansaba doğru uzaklaştıkça kayma gerilmesi en dik şev eğimi için bir miktar artıp
pervane etkisinin azalmasından dolayı sabit kalmaktadır. Şev yatıklaştıkça kayma gerilmesinin
kazığın hemen mansabındaki değeri çok fazla değişmemektedir.
Yine şev yatıklaştıkça aynı konumlardaki kayma gerilmesi değerleri azalmaktadır. Küçük pervanelerde şev eğiminin etkisi cok fazla olmamakla birlikte büyük pervanelerde bu etki daha
fazla belirginleşmektedir.
Pervane ekseni S1=1/1.5 şevi için x=13.5d0 konumuna, S2=1/2 ve S3=1/2.5 şevleri için x=18.5d0
konumuna karşılık geldiğinden bu konumlarda kayma gerilmesi değerlerinde sıçramalar görülmüştür.
Farklı çaptaki pervanelerde aynı pervane hızı dikkate alındığında genel olarak şev eğimi yatıklaştıkça aynı ölçüm noktasındaki kayma gerilmesi değerinin azaldığı görülmektedir. Dp1=7 cm
çaplı pervane için şev etkisi yeterince belirgin değildir. Ancak Dp2=10 cm ve Dp3=13 cm çaplı
pervanelerde şevin etkisi daha belirgindir.
KAYNAKLAR
Chin, C.O., Chiew, Y.M., Lim, S.Y. ve Lim, F.H., “Jet Scour Around Vertical Pile”, Journal of
Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 122(2):59-67, 1996.
Roulund, A., Sümer, B. M., Fredsøe, J. ve Michelsen, J., (2005), “Numerical and Experimental
Investigation of Flow and Scour Around a Circular Pile”, J. Fluid Mech. Vol. 534, pp. 351-401.
Schokking, L.A., “Bowthruster-induced Damage”, MSc Thesis, Delft University of Technology,
2002.
Sümer, B. M. Arnskov, M. M., Christansen, N. ve Jørgensen, F. E., (1993), “Two Component
Hot-Film Probe for Measurements Wall Shear Stress”, Exp. in Fluids 15:380-384.
Download

açık tipten rıhtımlarda etkili gemi pervane jetlerinin hidrodinamiği