Σύνδεση Μελών

Σύνδεση με προνόμια ΕΛ.Ι.Ν.Τ.

Βιομιμητικοί προωστήρες τύπου παλλόμενων πτερυγίων για την υποβοήθηση της πρόωσης πλοίου σε κυματισμούς

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Βιομιμητικά συστήματα τύπου παλλόμενων πτερυγίων τοποθετημένα στη γάστρα του πλοίου εξετάζονται ως μη μόνιμοι προωστήρες, για την υποβοήθηση της κύριας πρόωσης του πλοίου σε κυματισμούς. Η κύρια διάταξη αποτελείται από οριζόντιο πτερύγιο που κινείται με τη σταθερή πρόσω ταχύτητα του πλοίου και παράλληλα εκτελεί κατακόρυφη ταλαντωτική κίνηση λόγω της κατακόρυφης ταλάντωσης και προνευτασμού του πλοίου σε κυματισμούς, ενώ η περιστροφική ταλάντωση του πτερυγίου γύρω από τον άξονά του ελέγχεται ενεργητικά. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε την απόδοση του συστήματος σε τυχαίους κυματισμούς.

 

Πιο συγκεκριμένα, θεωρούμε πως το σύστημα πλοίο - ταλαντούμενο πτερύγιο προωστήρας λειτουργεί σε κυματισμούς που χαρακτηρίζονται από φάσμα συχνότητας, που αντιπροσωπεύει συγκεκριμένη κατάσταση θάλασσας, λαμβάνοντας υπόψη τη σύζευξη μεταξύ της δυναμικής της γάστρας και του παλλόμενου πτερυγίου. Παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα σχετικά με τον συντελεστή ώσης, καταδεικνύοντας ότι σημαντική απόδοση μπορεί να επιτευχθεί με τον κατάλληλο ενεργητικό έλεγχο. Η παρούσα μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και τον έλεγχο βιομιμητικών συστημάτων για την εκμετάλλευση της ενέργειας των κυματισμών με σκοπό την υποβοήθηση της πρόωσης πλοίων, με ταυτόχρονη ελάττωση των ανεπιθύμητων αποκρίσεων και βελτίωση της δυναμικής ευστάθειας.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η στροφή σε φιλικότερες προς το περιβάλλον μεταφορές, έχει αναγνωριστεί ως ένας πολύ σημαντικός παράγοντας σχετικά με την εξοικονόμηση ενέργειας και την συμβολή στην προστασία από το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την κλιματική αλλαγή. Αυτό γίνεται καλύτερα κατανοητό, εάν αναλογιστούμε τη συμβολή των εμπορικών πλοίων στην παγκόσμια ρύπανση, καθώς και την κακή ποιότητα καυσίμου των θαλάσσιων οχημάτων σε σύγκριση με τα άλλα μέσα μεταφοράς, βλ. π.χ. Colvile et al (2001), Flannery (2005). Στην κατεύθυνση αυτή, η βελτιστοποίηση της προωστήριας απόδοσης των πλοίων που σε ρεαλιστικές συνθήκες πλεύσης είναι κρίσιμης σημασίας, βλ. π.χ.  Belibassakis et al (2013), όπου λαμβάνονται υπόψη οι επιδράσεις της πρόσθετης αντίστασης κυματισμού καθώς και των κινήσεων του πλοίου στην έλικα. Από την άλλη πλευρά, η εξέλιξη των θαλάσσιων οργανισμών έχει καταδείξει τα ταλαντούμενα πτερύγια ως το βασικό σύστημα βιολογικής πρόωσης. Επιπλέον, η πειραματική και θεωρητική έρευνα σχετικά με τα συγκεκριμένα βιομιμητικά συστήματα έχει δείξει ότι κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες αποδίδουν σημαντικά επίπεδα ώσης και βαθμού απόδοσης, βλ. π.χ., Triantafyllou et al (2000,2004), Taylor et al (2010), von Ellenrieder et al (2008).

Σε πραγματικές συνθήκες πλεύσης το πλοίο υποβάλλεται σε ενδιάμεσου ή υψηλοτέρου πλάτους ταλαντωτικές κινήσεις λόγω των κυματισμών και οι κατακόρυφες κινήσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή της μεταφορικής ταλάντωσης του πτερυγίου-προωστήρα χωρίς κόστος, ενώ η περιστροφική κίνηση του πτερυγίου μπορεί να ελεγχθεί κατάλληλα. Οι αρχικές προσπάθειες σε αυτή την κατεύθυνση επικεντρώθηκαν σε παθητικά συστήματα πτερυγίων κάτω από τη γάστρα του πλοίου, για τη μετατροπή της ενέργειας των κινήσεων του πλοίου σε ενέργεια πρόωσης, με ταυτόχρονη μείωση των ανεπιθύμητων αποκρίσεων, δείτε π.χ. τη μελέτη των Rozhdestvensky & Ryzhov (2003) για μία εκτενή επισκόπηση στα βιομιμητικά συστήματα πρόωσης, την εργασία των Naito & Isshiki (2005) για μία επισκόπηση στα πρωραία πτερύγια για την υποβοήθηση της πρόωσης πλοίων, και τις δουλειές των Bøckmann & Steen (2013, 2014) και Terao & Sakagami (2013) για πρόσφατη πειραματική διερεύνηση και εφαρμογή σε φυσική κλίμακα, αντιστοίχως.

Εργαζόμενοι στην παραπάνω κατεύθυνση, οι Belibassakis & Politis (2013) προχώρησαν με την αντικατάσταση του παθητικού συστήματος ρύθμισης της περιστροφικής κίνησης του πτερυγίου με ενεργητικό σύστημα αυτομάτου ελέγχου, στη βάση της (γνωστής) τυχαίας μεταφορικής κίνησης του πτερυγίου. Επιπρόσθετα ανέπτυξαν θεωρητικά και υπολογιστικά εργαλεία για την ανάλυση και το σχεδιασμό πλοίων εφοδιασμένων με βιομιμητικούς προωστήρες για την παραγωγή ώσης με εκμετάλλευση της ενέργειας των κυματισμών.

Όπως φαίνεται στο Σχ. 1, το πτερύγιο εκτελεί συνδυασμένη μεταφορική και περιστροφική ταλάντωση, ενώ το πλοίο κινείται με σταθερή ταχύτητα σε κυματισμούς, που μοντελοποιούνται με κατευθυντικό φάσμα.

Η κατακόρυφη κίνηση του πτερυγίου επάγεται από την τυχαία κίνηση του πλοίου λόγω των κυματισμών, και πιο συγκεκριμένα από τις κινήσεις heave και pitch, στο σταθμό όπου το πτερύγιο είναι τοποθετημένο.

Η περιστροφική κίνηση του πτερυγίου ελέγχεται με βάση τη χρονική ιστορία της μεταφορικής του ταλάντωσης και παρέχεται με χαμηλό κόστος από εξωτερικό μηχανισμό.

Οι υπολογισμοί βασίζονται στη σύζευξη των τελεστών δυναμικής πλοίου με τις υδροδυναμικές φορτίσεις του πτερύγιου, χρησιμοποιώντας μη μόνιμη θεωρία φέρουσας γραμμής και μη γραμμικές μεθόδους συνοριακών στοιχείων στις τρεις διαστάσεις, σε άπειρο ρευστό, Politis (2011). Πρώτα αριθμητικά αποτελέσματα κατέδειξαν πως σημαντικά επίπεδα ώσης και βελτίωση της ευστάθειας, μπορούν να επιτευχθούν σε αναταραγμένες θάλασσες, με χρήση κατάλληλου κανόνα ελέγχου.

Για τη λεπτομερή διερεύνηση των επιδράσεων της ελεύθερης επιφάνειας και των κυματισμών, στην εργασία Filippas & Belibassakis (2014), αναπτύχθηκε μία μέθοδος συνοριακών στοιχείων στο πεδίο του χρόνου. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε στην υδροδυναμική ανάλυση δισδιάστατων υδροτομών που εκτελούν μη μόνιμη κίνηση κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια της θάλασσας και σε αρμονικούς κυματισμούς. Η μέθοδος επίσης έδειξε να συμφωνεί ικανοποιητικά με πειράματα και άλλες μεθόδους από τη βιβλιογραφία. Επίσης, καταδείχθηκε ότι οι επιδράσεις της ελεύθερης επιφάνειας είναι σημαντικές και ότι ικανοποιητικά επίπεδα ώσης μπορούν να επιτευχθούν όταν τα πτερύγιο επιχειρεί σε κυματισμούς.

Στην παρούσα εργασία, εφαρμόζουμε τη μέθοδο συνοριακών στοιχείων που αναπτύσσουμε, δείτε Filippas & Belibassakis (2014), για να εξετάσουμε περαιτέρω τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της κυματικής ενέργειας για παραγωγή ώσης σε τυχαίους κυματισμούς, χρησιμοποιώ-ντας ενεργητικό έλεγχο για τη ρύθμιση της περιστροφικής ταλάντωσης του πτερυγίου περί τον άξονά του, λαμβάνοντας επιπλέον υπόψη τη σύζευξη μεταξύ της δυναμικής της γάστρας και του παλλόμενου πτερυγίου. Πιο συγκεκριμένα, θεωρούμε ότι το πτερύγιο λειτουργεί σε πρωραίους κυματισμούς που χαρακτηρίζονται από κάποιο φάσμα, που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη κατάσταση θάλασσας. Η κατακόρυφη ταλαντωτική κίνηση του πτερυγίου υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το ενεργειακό φάσμα του προσπίπτοντος κυματισμού και το συντελεστή απόκρισης του πλοίου (Response Amplitude Operator, RAO) στη θέση που είναι τοποθετημένη η υδροτομή, Belibassakis & Politis (2013). Αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάζονται και καταδεικνύουν πως σημαντικά επίπεδα ώσης και μείωση των αποκρίσεων, μπορούν να επιτευχθούν. Η παρούσα εργασία δομείται ως εξής: Στην ενότητα 2 παρουσιάζουμε το συζευγμένο μοντέλο δυναμικής πλοίου-πτερυγίου για τον υπολογισμό των συντελεστών απόκρισης. Ακολούθως, στην ενότητα 3 περιγράφουμε τη μοντελοποίηση του τυχαίου προσπίπτοντος κυματικού πεδίου και την κινηματική της υδροτομής που βασίζεται στον RAO. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται συνοπτικά η μέθοδος συνοριακών στοιχείων για την αναλυτική μελέτη υδροτομών κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Τέλος, στην ενότητα 4 η συμπεριφορά του συστήματος εξετάζεται σε τυχαίους κυματισμούς, που αντιστοιχούν σε πραγματικές καταστάσεις θάλασσας, και αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάζονται και αναλύονται.

Το πληρες άρθρο είναι διαθέσιμο μόνο για τα μέλη ΕΛ.Ι.Ν.Τ.
Αν είστε μέλος παρακαλούμε συνδεθείτε με τον κωδικό σας.
Για να γίνετε μέλος ΕΛ.Ι.Ν.Τ. ακολουθήστε τις οδηγίες στις Εγγραφές Μελών
Τετάρτη, 24 Απριλίου 2013

TRAINING WORKSHOP, ΠΟΥ ΟΡΓΑΝΩΘΗΚΕ ΑΠΟ «ΕΛΙΝΤ» / «MAR.TEC.M.A.» / «Ε.Ε.Δ.Ε.» ΣΤΙΣ 19 & 20 ΑΠΡΙΛΙΟΥ 2013, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΩΝ ΕΚΔΗΛΩΣΕΩΝ:
«ΗΦΑΙΣΤΟΣ 2013» / ΑΘΗΝΑ & «HE.M.E.EXPO. 2013» / ΣΑΓΚΑΗ

Σε συνέχεια της προηγούμενης – ενημερωτικής εσπερίδας που οργανώθηκε

Περισσότερα...
Παρασκευή, 25 Νοεμβρίου 2016

Το καθιερωμένο βραβείο ΕΛ.Ι.Ν.Τ απονεμήθηκε φέτος κατά τη διάρκεια του Επίσημου Δείπνου στο Ναυτικό Όμιλος Ελλάδος στον κ. Αθανάσιο Μαρτίνο για τη μεγάλη του προσφορά στο ναυτιλιακό χώρο αλλά και για το σημαντικό κοινωνικό έργο.

Περισσότερα...
Παρασκευή, 02 Μαΐου 2014

ΗΜΕΡΙΔΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ TOY 9ου ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΕΙΡΑΙΑ – ΝΑΥΤΙΚΗΣ & ΝΑΥΤΙΛΙΑΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

Γίνεται γνωστό ότι την Τρίτη 08/04/2014 με πρωτοβουλία του «Ελληνικού Ινστιτούτου Ναυτικής Τεχνολογίας» πραγματοποιήθηκε

Περισσότερα...
Δευτέρα, 08 Απριλίου 2013

ΕΣΠΕΡΙΔΑ – “HEPHAESTUS 2013” ΤΗΝ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 29/03/2013

Πραγματοποιήθηκε με πολύ μεγάλη επιτυχία η πρώτη προγραμματισμένη ενημερωτική εκδήλωση του forum «Ήφαιστος 2013» την Παρασκευή 29/03/2013 στις εγκαταστάσεις της «Environmental Protection Engineering» – E.P.E. S.A. Περισσότερα...