Ship drag reduction through air injection to boundary layer

Abstract

Bu çalışmada, tek delikli hava enjeksiyonunun gemi yatay yüzeylerine uygulanması araştırılmıştır. Bu nedenle çalışma, sirkülasyon kanalında düzlemsel bir levha üzerinde çapraz akıma tek delikten verilen bir hava jeti ile sınır tabakanın değiştirildiği hava filmi uygulaması üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu çalışmaya özel olarak çok fazlı akışa özel bir işaret işleme yazılımı geliştirilmiş ve bu yazılım yardımıyla; sıvı faz hız profilleri, lokal hava oranı ve türbülans şiddeti profilleri altı istasyonda sıcak film sınır tabaka probu ile yapılan ölçümlerden çıkarılmıştır. Ayrıca, yerel yüzey kayma gerilmeleri de dört istasyonda yapılan yüzey sıcak film ölçümlerinden elde edilmiştir. Sıcak film problarından alınan sinyallerin hızların bulunması için işlenmesi ve analizi, kalibrasyon teknikleri ve sıvı hız değişimlerinin ve lokal hava oranlarının analizleri amacı ile teknikler geliştirilmiştir. Hava enjeksiyonunun sınır tabaka değişimine etkisinin incelenebilmesi için değiştirilmiş sınır tabaka ölçümleriyle referans sınır tabaka ölçümleri karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, sürtünme direncinin lokal hava oranına bağlı olduğu ve bu orandaki ani düşüşlerin türbülans şiddetlerindeki artışla birlikte direnç artışına neden olduğu gözlenmiştir. En iyi lokal direnç düşüşlerinin elde edildiği akım hızlarında, enjeksiyon hava debi artışlarının neden olduğu çok fazlı akım rejimindeki değişimler nedeniyle en yüksek direnç artışlarının da olabileceği görülmüştür. Bu olay, hem lokal yüzey kayma gerilmelerinin hava oranı düşüşü ile artışı, hem de sınır tabakada meydana getirilen süreksizliklerin neden olduğu form direnci artışıyla sonuçlanmaktadır.

Single hole air injection to horizontal hull surfaces has been investigated throughout the study. Flat plate experiments focused on boundary layer modification by utilizing air jet, injected through a single hole to the cross water flow were conducted in a circulating water channel. Profiles of liquid phase velocities, local air volume of fractions as well as turbulence intensities were extracted from the measurements of hot film boundary layer probe in six stations by the help of a developed signal processing code. Local wall shear measurements were also conducted through four measuring points by utilizing flush mounted hot film probes as well. Techniques to analyze the CTA signal were developed which provide the reduction of the acquired voltage signal to velocity values by using power law calibration coefficients, the decomposition of the liquid phase velocity magnitudes with fluctuation levels as well as the local air volume of fraction quantities. Modified boundary layer measurements were compared with the undisturbed boundary layer characteristics in order to understand the influence of the air injection on boundary layer modification. It was found that, drag reduction is strongly depended on near wall local void fraction. Sudden decreases in fractions with the increase in turbulent fluctuations lead increases in drag. For flow velocities which lead best local drag reductions can also lead highest drag increases due to dramatically change in the multiphase flow regime by increasing the air flow rates. This will conclude both, increase in wall shear due to void fraction decrease and probably form drag increases due to more disturbances in boundary layer.