Υδροελαστική συμπεριφορά δομικών στοιχείων σε θαλάσσιες εφαρμογές υπό την επίδραση ακραίων καταστάσεων φόρτισης
Authors: Κατηφέογλου Στέφανος 
Published: September 2021

Η ανά χείρας διδακτορική διατριβή με τίτλο “Υδροελαστική συμπεριφορά δομικών στοιχείων σε θαλάσσιες εφαρμογές υπό την επίδραση ακραίων καταστάσεων φόρτισης” περιλαμβάνει τρεις μεγάλες Ενότητες (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) οι οποίες αντιστοιχούν σε τρεις ευρύτερες κατηγορίες σχετικών προβλημάτων ακραίων φορτίσεων. Η Ενότητα Ι περιλαμβάνει περιπτώσεις δισδιάστατων προβλημάτων βίαιης πρόσκρουσης σωμάτων από/προς την ελεύθερη επιφάνεια με ανάπτυξη υδροδυναμικών δυνάμεων σφυρόκρουσης-slamming. Στο πρώτο κεφάλαιο της Ενότητας Ι (κεφάλαιο 2) περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο των υπολογιστικών μεθόδων προσομοίωσης του υδροδυναμικών φορτίσεων “bottom-slamming” που αντιστοιχούν στη βίαιη πτώση και πρόσκρουση σώματος σε αρχικά ήρεμη ελεύθερη επιφάνεια της θάλασσας. Οι σχετικές χρησιμοποιούμενες μέθοδοι Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) είναι δύο: (i) θεώρηση αστρόβιλου πεδίου ροής και προσομοίωση με τη Μέθοδο Συνοριακών Στοιχείων (Boundary Element Method-BEM) και (ii) θεώρηση ροής με στροβιλότητα-τυρβώδης προσομοίωση RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) σε συνδυασμό με τη μέθοδο προσέγγισης της ελεύθερης επιφάνειας, Volume of Fluid (VOF). Στο κεφάλαιο 3 αναπτύσσεται μία θεωρητική, αναλυτική προσέγγιση για μία διαφορετική κατηγορία προβλημάτων πρόσκρουσης-slamming, αυτή τη φορά λόγω της διέλευσης κύματος έντονης κλίσης (steep wave) σε ακίνητο σώμα που είναι διάτρητο, δηλαδή, περιέχει κενά κατά το μήκος της προσβαλλόμενης από το κύμα επιφάνειάς του. Η δισδιάστατη δράση της συγκεκριμένης μορφής “steep-wave slamming” εξετάζεται σε διάτρητη κυλινδρική τομή (σχήματος κύκλου και έλλειψης), κάτι που πραγματοποιείται για πρώτη φορά στη σχετική βιβλιογραφία υδροδυναμικών προβλημάτων διάτρητων κατασκευών. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία μπορεί να γενικευθεί και για μη διάτρητα στοιχεία. Στα κεφάλαια 4 και 5 παρατίθενται κατ’ αντιστοιχία τα αποτελέσματα των υπολογιστικών επιλύσεων προβλημάτων bottom-slamming με της μεθόδους (i) και (ii) για τα εξής δομικά στοιχεία: (α) κύλινδρος (κυκλική τομή), (β) πολυγωνική τομή, (γ) πρωραία τομή πλοίου ενώ ιδιαίτερα στο κεφάλαιο 5, αναπτύσσεται υδροελαστικό, ημι-αναλυτικό μοντέλο για την προσέγγιση της παραμόρφωσης της πρωραίας τομής υπό την δράση των εν λόγω δυνάμεων στο πεδίο του χρόνου. Η Ενότητα ΙΙ είναι αφιερωμένη σε ένα μέρος της ευρύτερης έρευνας του ερευνητικού προγράμματος HELASFR R&D 2013, μιας συνεργασίας ΣΝΜΜ ΕΜΠ-Ecole Centrale Marseille που έχει στόχο τον προσδιορισμό ενός πολύπλοκου υδροδυναμικού φαινομένου, αυτού των αναπτυσσόμενων 3ο-τάξιων αλληλεπιδράσεων μεταξύ επερχόμενων και ανακλώμενων κυματισμών από κατακόρυφη μεταλλική πλάκα, η οποία εκτεινόμενη από ύψος αρκετά ψηλότερα της ελεύθερης επιφάνειας έως τον πυθμένα, παρεμβάλλεται στο πεδίο των αρχικά κανονικών επερχόμενων κυματισμών. Τα δύο κεφάλαια της Ενότητας ΙΙ περιλαμβάνουν τη συνεισφορά του ΥΔ στις εργασίες του Προγράμματος με (i) την επέκταση της μαθηματικής διατύπωσης του υδροδυναμικού προβλήματος περίθλασης και ανάπτυξης 3ο-τάξιων αλληλεπιδράσεων αυτή τη φορά σε πλωτή-“περικεκομμένη” πλάκα (κεφάλαιο 6), και (ii) τη μαθηματική διατύπωση και επίλυση της υδροελαστικής απόκρισης της πλάκας στις αναπτυσσόμενες από το υδροδυναμικό πρόβλημα δράσεις (κεφάλαιο 7). Οι εν λόγω υδροδυναμικές δράσεις, αν και δεν χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα μεγάλα μεγέθη, παρ’όλ’αυτά είναι έντονα μη γραμμικές και έχουν μεγάλη χρονική διάρκεια με αποτέλεσμα τη δημιουργία δυσμενών εντατικών συνθηκών στην προκειμένη, λεπτή κατασκευή.Τέλος, η Ενότητα ΙΙΙ είναι αφιερωμένη στην δυναμική εντατική κατάσταση θαλάσσιων σωληνώσεων μεταφοράς υδρογονανθράκων-Steel Catenary Risers (SCRs). Η εντατική κατάσταση του SCR προσδιορίζεται από την επίλυση του μη γραμμικού ή γραμμικοποιημένου συστήματος υδροελαστικών εξισώσεων δυναμικής ισορροπίας του υπό την δράση ακραίων (υψίσυχνων και μεγάλου πλάτους) περιοδικών μετατοπίσεων του κορυφαίου άκρου της σωλήνωσης, το οποίο αντιστοιχεί στο άκρο πρόσδεσης στην πλωτή κατασκευή. Οι εν λόγω διεγέρσεις αντιστοιχούν σε πιθανές ακραίες μετακινήσεις των πλωτών κατασκευών οι οποίες προκαλλούνται από το θαλάσσιο περιβάλλον. Αναλυτικότερα αναπτύσσονται τρία κεφάλαια, στα δύο πρώτα από τα οποία εξετάζεται η συνεισφορά στην αναπτυσσόμενη δυναμική εντατική κατάσταση του SCR, αντίστοιχα (i) της βίαιης δύναμης αντίδρασης του εδάφους του πυθμένα της θάλασσας στην περιοδική πρόσκρουση του SCR σε αυτό, η οποία προσδιορίζεται με γεωτεχνική υπολογιστική μέθοδο (κεφάλαιο 8) και (ii) της κίνησης του εσωτερικού ρευστού υδρογονάνθρακα όπως προσδιορίζεται με εφαρμογή τυρβώδους προσομοίωσης της ροής σε περιβάλλον Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής-CFD (κεφάλαιο 9). Στο τρίτο κεφάλαιο της Ενότητας ΙΙΙ (κεφάλαιο 10), που είναι και το τελευταίο της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μία συγκριτική μελέτη μεταξύ της μέχρι σήμερα εφαρμοζόμενης προσέγγισης της υδροελαστικής συμπεριφοράς του SCR, όπως είθισται να υλοποιείται με διακριτοποίηση με γραμμικά κατασκευαστικά στοιχεία (ράβδου-δοκού/pipe) και μίας νέας προσέγγισης, πλέον με διακριτοποίηση με Πεπερασμένα Στοιχεία κελύφους. Η χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων κελύφους στοχεύει στη βελτιωμένη απεικόνιση της κατανομής των τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διέγερση της σωλήνωσης στην πραγματική-κελυφωτή επιφάνειά της.