Numerical investigation of the propulsion efficiency of real squids using computational fluid dynamics - Malazi, Mahdi Tabatabaei (My University, 2016)
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.

The use of ships and vessels could be traced back to the old Egyptians (B.C. 3000) while first submarine has been built four centuries ago by England. Although several centuries past already, there has not been any significant improvements developed for the motion mechanisms of submarine vehicles. The only change in the submarine vehicles could be seen in the engines which provide power to the propellers. These type of changes while making underwater travel better, the efficiency of the motion mechanism stayed limited with the technology of the propeller. Nowadays, in addition to land and air travels sea travel has been becoming very important. Especially, country like Turkey surrounded by sea in all three directions, it would be very important to have high maneuver ships and underwater vehicles having state of the art technology. Based on this goal nowadays Turkey has started to design and manufacture her own ships. In addition to having ships over the sea, development of modern submarine vehicles would enhance the Turkey’s defense power as well as make Turkey leader in the surrounding sea. Today, the performance (i.e., high maneuver and acceleration skills) of the vehicles which provide under water travel has been limited by their size and engines which power the propeller they have. When looked at the under the water, sea creature like squid can be observed as an creature can speed up to 40 – 50 km/h in a short duration of time. Although length of a squid can vary from 1 cm to 10 m and weight can change from 1 kg to 500 kg, regardless of the size and weight a squid can exhibit incredible swimming speed. This high speed gives squid a priceless opportunity to escape from her enemies and caught her food. In this project getting motivated by the perfect swimmers of the underwater namely a squid, it is aimed to develop an underwater vehicle which propels itself using an unsteady jet. In the example of swimming technique of a squid, certain amount of water will be taken to the inside the robot-squid. Then this water will be ejected with high acceleration that will in turn provide propulsion. Based on the Newton’s third law (action-reaction) robot-squid will gain propulsion on the opposite side that water has been pushed. Squid uses her nozzle to eject pressurized water in her mantle cavity. It was noticed that the squid's nozzle is made from a soft tissue and the nozzle diameter can be adjusted by the squid during water ejection. Having a different nozzle diameter could directly affect the squid's swimming speed as well as magnitude of the thrust she would gain. The magnitude of the propulsion will directly be related to the both amount and velocity of the pushed fluid (change of momentum). While traveling in a fluid, vehicles must produce certain amount of thrust to be able to move. Especially, underwater vehicles need to produce a thrust that is equal to the drag force acting on them so that their traveling fluid becomes possible. This thrust could be calculated from momentum equation. In this project the solid model of the robot-squid will be obtained from a squid’s CT-scan. Therefore, robotsquid will have a solid model that will resemble very much to the real squid. During the ejection of the fluid from squid there will be interaction between fluid and the solid part of the squid. To provide information transfer between solid and fluid, fluid structure interaction has been defined on the computational fluid Dynamics (CFD) model. When CFD model is run, velocity vector and pressure values are obtained. These values are used to compare the efficiencies of unsteady jet and steady jet, to calculate friction and pressure drag, to obtain the relation between resistance coefficient of robot-squid and squid’s Reynolds number. Since this work uses real squid geometry for calculating drag force, lift force, request jet velocity at different jet nozzle diameters, thrust force and jet efficiency when squid moves at various velocities underwater, it will be first in the literature.
Tez (Doktora) - Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Keywords: Tomografi (CT); CFD; Jet püskürtmesi; Jet verimliliği; Computed tomography (CT); CFD; Drag force; Jet propulsion; Jet efficiency