Numerical investigation of the propulsion efficiency of real squids using computational fluid dynamics

Abstract

Denizlerde gemilerin ve teknelerin kullanımları eski Mısırlılar (M.Ö. 3000) zamanına kadar uzanırken ilk denizaltı ise ancak dört asır öncesinde İngilizler tarafından yapılabilmiştir. Su altındaki ulaşımda denizaltıların kullanımı asırlar geçmesine rağmen hareket mekanizması açısından herhangi bir köklü değişim göstermeyip hareketi sağlayan pervaneleri besleyen motor tiplerinde değişiklikler yapılabilmiştir. Bu tarz değişiklikler deniz altında yapılan ulaşımı sadece iyileştirirken yapısal değişiklik yapılmadığından deniz altında hareket eden araçların verimleri kullanılan pervane teknolojisi ile sınırlı kalmıştır. Günümüzde ise kara ve hava ulaşımının yanı sıra deniz yolu ile ulaşım da son derece önemli hale gelmiştir. Özellikle ülkemiz gibi üç tarafı denizlerle çevrili bir devletin etrafındaki denizlerde kullanabileceği yüksek manevra kabiliyetine sahip, deniz üstü ve altı araçlar stratejik açıdan büyük önem taşımaktadır. Bu hedef doğrultusunda Türkiye’nin kendi gemisini üretmeye başladığı günümüzde, su altında geliştirilecek modern denizaltı araçları ülkemizin savunma gücünün artmasına katkıda bulunurken çevresindeki denizlerde de hâkimiyetini arttıracaktır. Günümüzde su altında ulaşımı sağlayan denizaltılarının manevra kabiliyetleri ve ivmeli hızlanmaları bu denizaltılarının büyüklüklerine ve sahip oldukları pervaneyi çeviren motorun boyutuna bağlı olarak değişmektedir. Deniz altına bakıldığında ise uzunluğu birkaç santimetreden on metreye kadar, ağırlığı bir kilogramdan 500 kilograma kadar değişebilen kalamar balıkları boylarına ve ağırlıklarına bakmaksızın su altında 40 – 50 km/h hıza çok kısa sürede ulaşabilmektedirler. Bu yüksek hız kalamar balıklarına düşmanlarından kaçmak ya da avlarını yakalamak için paha biçilmez bir fırsat vermektedir. Bu araştırmada su altının mükemmel yüzücüleri olarak kabul edilen kalamar balıklarının hareketlerinden motivasyon alarak zamana bağlı püskürtme kullanan su altı aracı geliştirebilmek amaçlanmıştır. Kalamar balığının yüzme tekniğinde olduğu gibi belli miktardaki suyu içine alacak olan robot-kalamar bu suyu yüksek ivmeyle püskürterek itme kuvveti sağlayacaktır. Newton’un 3. (etki-tepki) yasasına göre akışkanı ittirdiği yönün tersinde hareket edecek olan robot-kalamarın elde edeceği itme kuvveti ittirilen akışkanın toplam kütlesi ve hızı ile doğrudan ilgilidir (momentum değişimi). Kalamar karin altındaki boruyu (nozzle) basınçlı su çıkarmak için kullanmaktadır. Kalamarın borusu yumuşak dokudan yapılmıştır, ve boru çapı su püskürtme sırasında değişebilir. Farklı boru çapları kalamarın farklı hızlarda yüzmesini sağlar. Bir sıvı içinde seyahat eden nesneler, hareket için itme gücü üretmelidir. Özellikle, sualtı araçları hareket edebilmek için sürtünme kuvvetine karşı galip gelerek bir itme gücü üretmelidir. Bu itme, momentum denkleminin yardımıyla hesaplanabilmektedir. Projede robot-kalamarın katı modeli kalamar balığının bilgisayar tomografisi görüntülerinden elde edilerek gerçeğe son derece yakın bir sayısal modeli oluşturulacaktır. Akışkanın püskürtmesi sırasında robot-kalamarın katı yüzeyi ile akışkan arasında ilişkiyi sağlamak için sıvı-yapı etkileşimi (SYE) tanımlanacaktır. Tanımlanan SYE hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeline eklenerek model koşturulacak ve çözüm alanlarındaki hız ve basınç değerleri bulunacaktır. Bulunan değerler kullanılarak zamana bağlı püskürtme ile zamandan bağımsız püskürtmenin verimleri karşılaştırılabilecek, sürtünme ve basınç dirençleri hesaplanırken, robot-kalamar direnç katsayısının Reynolds sayısı ile ilişkisi belirlenebilecektir. Bu çalışma gerçek kalamar balıkların geometrisini sürtünme, basınç küvetler ve lazım olan jet akışları bulmak için kullanırmış, literatürde bir ilk olacaktır.