Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΟΥΤΡΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΠΛΟΙΑ» Επιβλέπουσα Επίκουρη Καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιανουάριος 2016

2 Πανεπιστήμιο Πατρών,Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κωνσταντίνος Κούτρας 2016 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Επιπτώσεις πληγμάτων κεραυνών σε πλοία» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΥΤΡΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Επίκουρη Καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Αλεξανδρίδης Αντώνιος

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Επιπτώσεις πληγμάτων κεραυνών σε πλοία» Φοιτητής: Κούτρας Κωνσταντίνος του Νικολάου Επιβλέπουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια Πυργιώτη Ελευθερία Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση ενός κεραυνικού πλήγματος στην μεταλλική επιφάνεια ενός πλοίου και η επίδρασή του σε πολλά άλλα σημεία της επιφάνειάς του με τη χρήση του προγράμματος CST STUDIO SUITE 2014 προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο κίνδυνος στον οποίο εκτίθενται και η επιτακτική ανάγκη για τη λήψη των κατάλληλων μέτρων προστασίας σε αυτά. Στο 1 ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο τρόπος πρόκλησης των κεραυνικών πληγμάτων κατά τη διάρκεια των εκκενώσεων. Αναφέρονται ακόμη μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς, τα είδη των κεραυνών και γίνεται εκτενής αναφορά στο ρεύμα του κεραυνού, τους διαθέσιμους τρόπους προσδιορισμού του, την κοινά αποδεκτή διπλοεκθετική κυματομορφή που το αναπαριστά και τις παραμέτρους του κεραυνού που σχετίζονται με αυτό. Στο 2 ο κεφάλαιο, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των διαφόρων περιπτώσεων όπου ένα πλοίο μπορεί να αντιμετωπίσει προβλήματα από την πτώση κεραυνών. Παρουσιάζεται ακόμα η πρόκληση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και επαγόμενων τάσεων, οι εξισώσεις από τις οποίες δίνονται όπως επίσης αποδεικνύεται και η τεράστια σημασία των χρονικών τους παραγώγων στη διαμόρφωση του ηλεκτρομαγνητικού περιβάλλοντος στο οποίο το πλοίο υπόκειται μετά την έκθεσή του σε κεραυνικό πλήγμα. Τέλος, γίνεται αναφορά στις επιπτώσεις ενός άμεσου κεραυνικού πλήγματος σε ένα πλοίο και στα ισχύοντα πρότυπα για την προστασία από αυτά στη ναυσιπλοΐα.

5 Στο 3 ο κεφάλαιο, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης της προσομοίωσης στο CST STUDIO SUITE Αναφέρονται αναλυτικά όλα τα βήματα που ακολουθήθηκαν προκειμένου να εκτελεστεί η προσομοίωση και να δώσει ορθά αποτελέσματα. Στο 4 ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που ζητήθηκαν κατά την υλοποίησή της σε μία διάσταση (γραφικές τάσης-χρόνου και ρεύματος-χρόνου σε διάφορα σημεία της εσωτερικής και εξωτερικής επιφάνειας του πλοίου καθώς και τα αποτελέσματα σε 3 διαστάσεις για την απεικόνιση της πυκνότητας ρεύματος όπως επίσης και της μεταβολής των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.

6 Title: Effects of lightning strikes on naval ships Abstract Aim of this diploma thesis is to study and simulate a lighting strike on the surface of a metallic ship and its effects at various points of his surface using the software package CST STUDIO SUITE 2014, in order to realise the danger in which the ships are being placed and the urgent need for taking appropriate measures to protect them. In chapter one, it is explained how the lightning strikes are produced during electrical evacuations. Moreover, sizes associated with lightning and the different types of lightning strikes are reffered and the ways of determining the lightning current are identified. Furthermore, the alteration of the lightning current is presented with the mutually acceptable double exponential waveform and last but not least the lightning parameters related to it are highlighted. In chapter two, a summary of the different cases where a ship could face problems from lightning is given. In addition, the production of electromagnetic fields and induced voltages because of the lightning strike and the equations of which are given are presented as well as the importance of their time derivatives is demonstrated in the formation of the electromagnetic environment, in which the ship is subject after its exposure to the lightning strike. In chapter three, the implementation process of the simulation at CST STUDIO SUITE 2014 is analyzed. All the steps followed to run the simulation and receive the right results after the end of it are described in detail. Chapter 4 presents the simulation results requested in its implementation to one dimension (voltage-time and current-time graphics in various parts of the internal and external surface of the ship) and the results in 3 dimensions for the display of both the current density and the electromagnetic fields time derivatives.

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας, σημαντική βοήθεια προσέφεραν κάποια άτομα, τα οποία επιθυμώ να ευχαριστήσω. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου που με στήριξαν όλα αυτά τα χρόνια,ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την επιβλέπουσα καθηγήτρια κ. Ελευθερία Πυργιώτη που όλο αυτό το χρονικό διάστημα με καθοδηγούσε και ήταν πάντοτε διαθέσιμη να με βοηθήσει σε οποιεσδήποτε δυσκολίες αντιμετώπισα και τον καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Σώρα που δέχτηκε να εξετάσει την παρούσα διπλωματική εργασία. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα της ομάδας της κυρίας Πυργιώτη, Γιώργο Πέππα, για την υποστήριξή του και την πολύτιμη συνεισφορά του στην εκπόνηση αυτής της εργασίας. Η βοήθειά του ήταν πάρα πολύ σημαντική και οι υποδείξεις του σε διάφορα στάδια ήταν πολύ χρήσιμες και καθοριστικές. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω και την υποψήφια διδάκτορα Ελένη Νικολοπούλου που σχεδίασε και μου έδωσε το μοντέλο του πλοίου το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση της προσομοίωσης.

8 Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ Πρόκληση κεραυνών Χαρακτηριστικά μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς Είδη κεραυνών Ρεύμα κεραυνού και σχετικές παράμετροι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 o ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΟΝΤΑ ΣΕ ΠΛΟΙΟ Εισαγωγή Παραγωγή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και επαγόμενων τάσεων μετά το πλήγμα Κίνδυνοι και συνέπειες από άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε πλοίο Μέτρα προστασίας των πλοίων από κεραυνικά πλήγματα Προστασία ενάντια σε άμεσες επιδράσεις Προστασία ενάντια σε δευτερεύοντες επιδράσεις Σύνοψη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΛΟΙΟ Γνωριμία με το πρόγραμμα Το μοντέλο του πλοίου Η διαδικασία της προσομοίωσης Το σήμα διέγερσης (excitation signal) Συνοριακές συνθήκες (boundaries) Επιλογή σημείου διέγερσης και μεθόδου προσομοίωσης Κατασκευή του πλέγματος διακριτοποίησης (mesh mode) Επιλογή των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης Επιλογή σημείων μέτρησης της έντασης ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (probes) Επιλογή απεικόνισης μετρήσεων τάσης-ρεύματος Εκκίνηση προσομοίωσης (setup solver) Σύνοψη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4o ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Αποτελέσματα στη μία διάσταση Διαγράμματα ρευμάτων και τάσεων

9 4.2.2 Διαγράμματα μεταβολής ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου Αποτελέσματα σε τρεις διαστάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΩΝ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ 1.1 Πρόκληση κεραυνών Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Υπό συνθήκες καλοκαιρίας, το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος.εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας [1]. Ιονισμένα σωματίδια (θετικού και αρνητικού προσήμου) που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες, προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξαιτίας αυτής και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας ιόντα και των δυο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και συνεπώς την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δε συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Η κύρια πηγή που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί [1]. Όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο φορτίζεται ένα σύννεφο πιστεύεται ότι συντελείται με την γρήγορη άνοδο του θερμού αέρα στο κέντρο της καταιγίδας. Τα κεραυνοφόρα νέφη (κυρίως τύπου «σωρειτομελανία») αποτελούνται στα υψηλότερα επίπεδα του νέφους από κρυστάλλους πάγου και χιονιού που είναι θετικά φορτισμένοι ενώ στα κατώτερα από σταγονίδια βροχής που είναι αρνητικά φορτισμένα. Αυτή είναι η μέση γενική κατάσταση. Αν λάβει κανείς υπόψη περισσότερες λεπτομέρειες η εικόνα είναι πιο περίπλοκη. Υπάρχει για παράδειγμα ένα δευτερεύον στρώμα αρνητικού φορτίου στην κορυφή του νέφους και ενός θετικού στην βάση του. 10

11 Σχ. 1.1 Ηλεκτρική εικόνα κατά τη διάρκεια εκκενώσεων [5] Η δημιουργία φορτίων στα καταιγιδοφόρα νέφη βασίζεται στην ιδέα, ότι σχετικά μεγάλα παγοσφαιρίδια στα νέφη πολώνονται κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου καλού καιρού, έτσι ώστε στο κάτω μέρος να έχουν θετικό και στο άνω αρνητικό φορτίο. Όταν ένα σχετικά μεγάλο πολωμένο παγοσφαιρίδιο πέφτει μέσα στο νέφος και συγκρούεται με μικρότερα παγοσφαιρίδια, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τα μικρά σφαιρίδια στο μεγαλύτερο. Κατ αυτόν τον τρόπο τα μικρά παγοσφαιρίδια φορτίζονται θετικά και παρασυρόμενα από τα ισχυρά ανοδικά ρεύματα μεταφέρονται, ως ελαφρύτερα, προς τα ανώτερα στρώματα του νέφους, ενώ τα μεγαλύτερα, που με τις κρούσεις αυτές φορτίζονται αρνητικά, σαν βαρύτερα καταλήγουν στα κατώτερα στρώματα του νέφους, έτσι ώστε να δημιουργείται ένα στρώμα θετικού φορτίου στο επάνω μέρος του νέφους και ένα αρνητικού στο κάτω μέρος. Τόσο τα αρνητικά όσο και τα θετικά φορτία έχουν την τάση να συγκεντρώνονται σε ορισμένα μέρη που λέγονται «κέντρα φορτίου». Με τον διαχωρισμό του φορτίου το αρχικό ηλεκτρικό πεδίο ενισχύεται. Αποτελέσματα μαθηματικών μοντέλων δείχνουν, ότι το ηλεκτρικό πεδίο τα πρώτα s αυξάνεται αργά, αλλά στα επόμενα s αυξάνεται ταχύτατα και μπορεί να πάρει τιμές της τάξης των 0,3 0,5 ΜV/m [32]. Σε αυτές λοιπόν τις περιοχές η τιμή του πεδίου μπορεί να φτάσει σε τέτοιες τιμές ώστε να προκαλέσει ιονισμό του αέρα με τη μορφή εκκενώσεων κορώνα που ξεκινούν απ αυτά τα αιχμηρά αντικείμενα. Τα θετικά ιόντα που δημιουργούνται σε αυτές τις εκκενώσεις προχωρούν προς τα επάνω ακολουθώντας τις γραμμές του πεδίου. Εν τούτοις μόλις προχωρήσουν λίγο και φτάσουν σε περιοχές με χαμηλή ένταση πεδίου η ταχύτητά τους μειώνεται πολύ και γίνεται ασήμαντη σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου. Η ταχύτητά τους καθορίζεται από την ταχύτητα και την διεύθυνση του ανέμου. Οι εκκενώσεις αυτές είναι αυτές καθαυτές ακίνδυνες αλλά καμιά φορά προαναγγέλουν την πτώση κεραυνού. Οι άλλες δύο μορφές ηλεκτρικών εκκενώσεων είναι εκκενώσεις τύπου «σπινθήρα» και είναι είτε εκκενώσεις μεταξύ κέντρων φορτίου που λέγονται «αστραπές» είτε εκκενώσεις μεταξύ κέντρων φορτίου και γης που λέγονται «κεραυνοί» [3] [33]. 11

12 1.2 Χαρακτηριστικά μεγέθη σχετιζόμενα με κεραυνούς Ακολουθούν οι παρακάτω ορισμοί που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές εκκενώσεις: Πολικότητα κεραυνού: Η εκκένωση ενός αρνητικού νέφους προς τη γη γίνεται με ένα αρνητικό κεραυνό και ενός θετικού νέφους με ένα θετικό κεραυνό. Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού: Κατά την εκκένωση ενός αρνητικού νέφους ρέει προς τη γη ένα αρνητικό ρεύμα και αντίστροφα. Κατεύθυνση οχετού προεκκένωσης: ένας κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης (που συχνά ονομάζεται και οδηγός οχετός) προχωρά από το σύννεφο προς το έδαφος και ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης προχωρά από το έδαφος προς το σύννεφο. Ένας ανερχόμενος οχετός σύνδεσης είναι μια εκκένωση που ξεκινά από το έδαφος και συναντά σε μια ενδιάμεση θέση μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους έναν κατερχόμενο οχετό. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης: η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι, από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας θετικός οχετός προεκκένωσης και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας αρνητικός οχετός προεκκένωσης. Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου: το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο ορίζεται σαν αρνητικό και το αντίθετο. Σύμφωνα με αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει θετική κατεύθυνση [1] [31]. 12

13 1.3 Είδη κεραυνών Οι ατμοσφαιρικές εκκενώσεις διακρίνονται σε 3 κατηγορίες : 1) Μεταξύ σύννεφου και γης και αντίστροφα 2) Εντός του ίδιου σύννεφου 3) Μεταξύ των σύννεφων [3] Ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος δημιουργείται μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων όταν συγκεντρώνεται φορτίο ενός προσήμου σε μια θέση του σύννεφου και επαγόμενο φορτίο αντίθετου προσήμου στο έδαφος. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα σε αυτή την ζώνη αναπτύσσονται είτε πλησίον του νέφους είτε σε κάποια σημαντική προεξοχή του εδάφους. Έτσι διακρίνουμε τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού : «Κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. «Ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. «Κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. «Ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο [3]. 13

14 Σχ. 1.2: Τα τέσσερα είδη κεραυνών [3] 1.4 Ρεύμα κεραυνού και σχετικές παράμετροι Όταν ένα αντικείμενο χτυπηθεί από ένα κεραυνό, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα που εκφορτίζεται μέσω αυτού. Έτσι από την άποψη της προστασίας από τους κεραυνούς, το ρεύμα αυτό αντιπροσωπεύει την πιο σημαντική παράμετρο της εκκένωσης του κεραυνού. Το κύριο ρεύμα του κεραυνού είναι αυτό που οφείλεται στον οχετό επιστροφής. Το ηλεκτρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται από το ετερόσημο φορτίο της γης. Το μέγεθος του ρεύματος που αναπτύσσεται κατά τη ροή του 14

15 φορτίου αυτού εξαρτάται καταρχήν από το μέγεθος του φορτίου του νέφους αλλά και από την ταχύτητα με την οποία ο οχετός επιστροφής από τον ήδη ιονισμένο δρόμο που χάραξε ο οχετός προεκκένωσης. Επίσης, είναι γνωστό πως κάθε κεραυνός αποτελείται από πολλές διαδοχικές εκκενώσεις, που η καθεμία έχει διαφορετική μορφή και εύρος. Έχει παρατηρηθεί ότι αρνητικοί κεραυνοί φέρουν πολλαπλές εκκενώσεις, ενώ θετικοί κεραυνοί σπανιότατα παρουσιάζουν περισσότερες από μία εκκενώσεις [2]. Ο προσδιορισμός του ρεύματος κεραυνού συνήθως γίνεται με δύο τρόπους: Ο ένας εφαρμόζεται σε διάφορες μεθόδους, οι οποίες στηρίζονται σε μια εκτίμηση του ρεύματος που εμφανίζεται από τα θερμικά ή μηχανικά αποτελέσματα που προκαλεί το πλήγμα του κεραυνού. Δηλαδή από την τήξη λεπτών μετάλλων ή τα ίχνη πάνω σε λεπτές μεταλλικές επιφάνειες, γίνεται εκτίμηση της συνολικής ενέργειας του κεραυνού, όπως επίσης και του εύρους του ρεύματος από τη σύσφιξη που προκαλεί η ροή του ρεύματος δια μέσου του σωλήνα. Ένας εναλλακτικός τρόπος μέτρησης του ρεύματος κεραυνού είναι η μέθοδος της μαγνητικής ζεύξης. Η μέθοδος στηρίζεται στο ότι όταν το ρεύμα κεραυνού διαρρέει ένα αγωγό, σχηματίζεται γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αν τοποθετηθεί κοντά στον αγωγό ένα μαγνητικό υλικό, αυτό θα μαγνητιστεί με τη μέγιστη τιμή του πεδίου η οποία εξαρτάται από το μέγιστο ρεύμα που διέρρευσε τον αγωγό. Ωστόσο, η ακρίβεια όλων αυτών των μεθόδων είναι πολύ μέτρια αφενός μεν γιατί δεν μπορούν να μετρήσουν όλες τις περιοχές που εκτείνεται το ρεύμα του κεραυνού, αφετέρου δε γιατί μετρώντας μόνο τη μέγιστη τιμή δε γίνεται διάκριση ανάμεσα στο ρεύμα διαφόρων εκκενώσεων ενός πολλαπλού κεραυνού. Σημαντικοί παράμετροι στην περιγραφή και το χαρακτηρισμό ενός κεραυνού είναι οι ακόλουθοι: Πολικότητα κεραυνού Μέγιστο ρεύμα κεραυνού (εύρος) Χρόνος μετώπου και ουράς Μέγιστη κλίση μετώπου 15

16 Σχήμα 1.3 : Κυματομορφή αρνητικής κεραυνικής εκκένωσης [9] Σχήμα 1.4 : Κυματομορφή θετικής κεραυνικής εκκένωσης [9] Τέλος, μια ακόμα ενδιαφέρουσα παράμετρος είναι και η διάρκεια ροής μιας ορισμένης έντασης ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συσσωρεύεται μέσα στην αντίσταση που διαρρέει και κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερη η ελκυόμενη θερμότητα, αφού είναι ανάλογη του I 2 dt. Για το λόγο αυτό, κεραυνοί με μεγάλη διάρκεια ρεύματος, έστω και αν η μέγιστη τιμή του ρεύματος δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή, ονομάζονται θερμοί κεραυνοί σε αντίθεση με άλλους που μπορεί να αναπτύσσουν μεγάλα ρεύματα μικρής διάρκειας. Για πιθανές περιπτώσεις πυρκαγιάς ή έκρηξης, οι θερμοί κεραυνοί είναι πιο επικίνδυνοι, αντίθετα σε περιπτώσεις ηλεκτρικών συστημάτων, 16

17 πιο επικίνδυνοι είναι οι κεραυνοί με μεγάλες εντάσεις και ας έχουν μικρή διάρκεια, διότι αυτοί επάγουν τις υψηλότερες τάσεις που καταπονούν τις μονώσεις. I : μέγιστη τιμή ρεύματος T 1 :χρόνος μετώπου Σ 2 : χρόνος ουράς Σχήμα 1.5: Σχηματική αναπαράσταση παραμέτρων κεραυνού [8] Η κυματομορφή του σχήματος 1.5 απεικονίζει τη δόκιμη κυματομορφή ρεύματος που αναγνωρίζεται τόσο από το πρότυπο IEC (2006) όσο και από από πολλά IEE/ANSI standards για να αναπαραστήσει την κυματομορφή του κεραυνού. Η κυματομορφή αυτή είναι ευρέως γνωστή ως test impulse (κρουστική) 8/20 μs. Το πρότυπο IEC (2006) καθορίζει άλλη μία κυματομορφή γνωστή ως 10 / 350 μs κρουστική ώθηση για τη δοκιμή των συσκευών προστασίας από υπέρταση, που εκτίθενται άμεσα σε ρεύματα κεραυνού. Μια αντίστοιχη κυματομορφή (10/350 μs) χρησιμοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία για την εξομοίωση του κεραυνικού πλήγματος σε τάνκερ. Για μια δεδομένη μέγιστη τιμή,η 10/350 μs κυματομορφή περιέχει περισσότερη ενέργεια και φορτίο από την κυματομορφή 8/20 μs. Και οι δύο κυματομορφές αντιπροσωπεύουν με χαμηλή ακρίβεια τους γρήγορους χρόνους ανόδου των περισσότερων από τις αρνητικές μετέπειτα εκκενώσεις [8]. 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 o ΚΕΡΑΥΝΙΚΑ ΠΛΗΓΜΑΤΑ ΣΕ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΟΝΤΑ ΣΕ ΠΛΟΙΟ 2.1 Εισαγωγή Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας έχει να κάνει με τη μελέτη της επίδρασης ενός κεραυνικού πλήγματος σε πλοίο. Κεραυνικά φαινόμενα που μπορούν να επηρεάσουν το ηλεκτρικό σύστημα ενός πλοίου περιλαμβάνουν άμεσα χτυπήματα σε αυτό, σε κοντινή απόσταση από αυτό αλλά και στην ευρύτερη περιοχή, καθώς μπορούν να επάγουν αιχμές τάσης στο δίκτυο του πλοίου. Αντιπροσωπευτικά γραφήματα του πώς ένας κεραυνός μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα πλοίο φαίνονται στο σχήμα 2.1.Όπως φαίνεται στην 1η εικόνα, το ευθύ χτύπημα συμβαίνει απευθείας στην επιφάνεια του πλοίου και οι επιπτώσεις του είναι οι πιο σοβαρές. Εκτός από την καταπόνηση ή την καταστροφή στα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα του πλοίου, μπορεί να προκληθεί ζημιά και στην δομική κατασκευή του πλοίου. Οι επιπτώσεις από τα χτυπήματα των εικόνων 2 και 3 είναι εξασθενημένες, το οποίο μας οδηγεί στο ασφαλές συμπέρασμα ότι όσο μεγαλώνει η απόσταση από το πλήγμα τόσο πιο ανώδυνο για το πλοίο αυτό καθίσταται. Το χτύπημα δεν είναι στην επιφάνεια του πλοίου και η κατασκευή του πλοίου δεν κινδυνεύει, το ηλεκτρικό όμως σύστημα όπως και τα ηλεκτρονικά συστήματα του πλοίου αλληλεπιδρούν μέσω μαγνητικών, χωρητικών και επαγωγικών φαινομένων και σημειώνονται διαταραχές στην ομαλή λειτουργία του πλοίου [6]. 18

19 Σχήμα 2.1 : Οι περιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος σε ένα πλοίο [4] 2.2 Παραγωγή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και επαγόμενων τάσεων μετά το πλήγμα Όπως αναφέρθηκε και προηγούμενως, είτε το κεραυνικό πλήγμα συμβαίνει στην επιφάνεια του πλοίου είτε σε κάποια (κοντινή ή μακρινή) απόσταση από αυτό λόγω αλληλεπίδρασης με τα ηλεκτρονικά συστήματα του πλοίου αυτό θα βρεθεί μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δεχόμενο μια τάση εξ επαγωγής που οφείλεται στην εκκένωση σύννεφου-επιφάνειας. Παρακάτω θα εξηγήσουμε το γεωμετρικό τρόπο υπολογισμού τόσο του ηλεκτρικού όσο και του μαγνητικού πεδίου σε επίπεδο έδαφος για πολύ καλό αγωγό,οι οποίες ισχύουν και στη δική μας περίπτωση αφού εδώ ο αγωγός αυτός είναι το θαλασσινό νερό. 19

20 Σχήμα 2.2: Οι γεωμετρικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό ηλεκτρικού-μαγνητικού πεδίου [8] Το ακόλουθο σετ εξισώσεων, εκφρασμένο σε κυλινδρικές συντεταγμένες, εφαρμόζεται για να υπολογίσει τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία σε επίπεδο έδαφος που οφείλεται σε κάθετο κανάλι εκκενώσεως, ύψους H [10]. Οι γεωμετρικοί παράγοντες αυτών των εξισώσεων καθορίζονται στο διάγραμμα του σχήματος 2.2. Οι εξισώσεις που θα ακολουθήσουν είναι έγκυρες υπό την προυπόθεση ότι η επιφάνεια της γης μεταξύ του σημείου που θα πέσει ο κεραυνός και του σημείου παρατήρησης είναι τέλεια αγώγιμη (άπειρος αγωγός) και επίπεδη. Υπό αυτές τις συνθήκες λοιπόν έχουμε για το ηλεκτρικό πεδίο: E (r, φ,0,t)= (1) 20

21 Αντίστοιχα για το μαγνητικό πεδίο θα ισχύει: Β (r,φ,0,t)= (2) Ο πρώτος μαθηματικός όρος της εξίσωσης (1) που βρίσκεται εντός των αγκυλών ονομάζεται στατικό μέρος (που εξαρτάται από τις εναλλαγές του φορτίου στο κανάλι). Ο όρος αυτός μειώνεται ραγδαία με την απόσταση από τη βάση του καναλιού. Ο δεύτερος όρος είναι ο όρος επαγωγής (εξαρτάται από το ρεύμα κατά μήκος του καναλιού) ο οποίος αποσβέννυται σχετικά αργά. Ο τρίτος όρος, που ονομάζεται ο όρος της ακτινοβολίας, αποσβέννυται σε μικρότερο βαθμό με την απόσταση σε σχέση με τους δύο προηγούμενους. Αυτός εξαρτάται από τη χρονική παράγωγο του ρεύματος του καναλιού σε κάθε ύψος Η. Η εξίσωση του μαγνητικού πεδίου (2) περιλαμβάνει μόνο τον όρο της επαγωγής και τον όρο της ακτινοβολίας [8]. Στην περίπτωση ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής σε αγώγιμα αντικείμενα στη διαδρομή διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, οι χρονικές παράγωγοι του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (de/dt & db/dt) διαδραματίζουν εξίσου σπουδαίο ρόλο [8]. Σε αυτό το σημείο αξίζει να επαναληφθεί ότι οι εξισώσεις (1) και (2) ισχύουν μονάχα όταν το γειωμένο επίπεδο είναι ένας τέλειος αγωγός χωρίς τοπογραφικές ανωμαλίες (λεία, οριζόντια, επίπεδη επιφάνεια) [10]. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι οι κυματομορφές του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου υπόκεινται σοβαρές μεταβολές με τη συχνότητα παραμόρφωσης και εξασθένησης, καθώς τα πεδία διαδίδονται πάνω από ένα επίπεδο έδαφος με άπειρη αγωγιμότητα. Η απόσβεση στις υψηλές συχνότητες επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τα μέγιστα των χρονικών παραγώγων των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Τέτοιες επιδράσεις είναι συχνά φαινόμενα σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που παράγονται από εκκενώσεις σύννεφου-εδάφους ή εκκενώσεις μεταξύ συννέφων [8]. Η μέγιστη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου εξ ακτινοβολίας που παράγεται από τον πρώτο οχετό επιστροφής αρνητικής εκκενώσεως κατά μήκος του κάθετου καναλιού, αφού έχει διανύσει απόσταση D σε μέσο με πεπερασμένη αγωγιμότητα (σ) δίνεται από την εξίσωση (3) [11]: 21 (3)

22 ,όπου ο όρος D/σ μετριέται σε μονάδες m 2 /s, τα Εσ και Ε αναπαριστούν το ηλεκτρικό πεδίο στην ίδια απόσταση σε επίπεδο με πεπερασμένη αγωγιμότητα και σε επίπεδο με άπειρη αγωγιμότητα αντίστοιχα. Η εξίσωση (3) περιορίζεται σε μια τιμή του D μεταξύ των 5 και 300 km, όπου το κατώτερο όριο εφαρμόζεται από την απόσταση όπου ο στατικός και ο επαγωγικός όρος μπορούν να αμεληθούν (μόνος ο όρος της ακτινοβολίας λαμβάνεται υπόψιν) και το ανώτερο όριο από την απόσταση έως την οποία μπορούμε να θεωρήσουμε την καμπυλότητα της Γης αμελητέα. Ας θεωρήσουμε ένα οριζόντιο επίπεδο γείωσης όπου η αγωγιμότητα του εδάφους είναι της τάξεως του 0,0001 S/m (τυπική τιμή αγωγιμότητας για χώμα στεγνής ξερής περιοχής) και θαλασσινό νερό αγωγιμότητας 4,8 S/m. Στα 5 km από το σημείο του κεραυνικού πλήγματος η αναλογία μεταξύ της μέγιστης τιμής του ηλεκτρικού πεδίου στην στεριά (EL) και αυτού στη θάλασσα (Es) είναι σχεδόν 0.75 (75%), σύμφωνα με την εξίσωση (3). Η εξίσωση (3) δείχνει επίσης ότι το επίπεδο της θάλασσας εν συγκρίσει με την στεριά, μπορεί κάλλιστα να θεωρηθεί ως τέλειος αγωγός επίπεδης επιφάνειας. Για τα μέγιστα των χρονικών παραγώγων του ηλεκτρικού πεδίου, εξαιτίας του πρώτου οχετού επιστροφής αρνητικής εκκένωσης, σε πεπερασμένης αγωγιμότητας επιφάνεια (de/dt)σ σχετίζονται με αυτά σε τέλειο αγωγό (de/dt), για την ίδια απόσταση D, σύμφωνα με την εμπειρική εξίσωση [12]: (de/dt)σ = 22.7 (D/σ) (de/dt) (4) Η εξίσωση (4) μας δείχνει ότι στα 5 km από το σημείο του πλήγματος η χρονική παράγωγος (de/dt)σ είναι μικρότερη από 10% της χρονικής παραγώγου (de/dt) για διάδοση σε έδαφος όπου η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι S/m. Ακόμα και σε έδαφος με αγωγιμότητα 0,001 S/m η χρονική παράγωγός του παραμένει το 20% της παραγώγου σε τέλειο αγωγό, για απόσταση 5χλμ από το πλήγμα. Το σχήμα 2.3 δείχνει πώς η χρονική παράγωγος του ηλεκτρικού πεδίου του πρώτου αρνητικού οχετού διαφέρει σε σχέση με την απόσταση, για έδαφος με αγωγιμότητα S/m. 22

23 Σχήμα 2.3: : Μεταβολή της χρονικής παραγώγου του ηλεκτρικού πεδίου του πρώτου οχετού επιστροφής, καθώς διαδίδεται σε έδαφος με αγωγιμότητα S/m: (1) πεδίο χωρίς διαταραχές (πχ άπειρη αγωγιμότητα), (2) μετά από διάδοση σε 1χλμ, (3) μετά από διάδοση σε 4χλμ, (4) μετά από διάδοση σε 8χλμ. [8] [12] Σχήμα 2.4: Χρονική παράγωγος του μαγνητικού πεδίου (πολλαπλασιασμένη με την ταχύτητα του φωτός) στο έδαφος σε απόσταση 1 km από το κανάλι του κεραυνού. Η συνεχής γραμμή δείχνει το πεδίο σε έδαφος με πεπερασμένη αγωγιμότητα ( (a) s = 0,001 S/m και (b) s = 0,0001 S/m) ενώ η διακεκομμένη γραμμή το αντίστοιχο πεδίο σε έδαφος με άπειρη αγωγιμότητα. Η σχετική διηλεκτρική σταθερά του εδάφους είναι 5 [8] [13] 23

24 Οι προηγηθείσες εξισώσεις και αναλύσεις δείχνουν ξεκάθαρα ότι ένα πλεούμενο σκάφος σε ήρεμη θάλασσα, υπόκειται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον πολύ πιο ισχυρό εξαιτίας ενός κεραυνικού πλήγματος, σε σύγκριση με ένα αντίστοιχο σύστημα σε στεριά. Το ηλεκτρικό/ηλεκτρονικό σύστημα και δίκτυο σημάτων ενός ελαφρού σκάφους μη μεταλλικών υλικών (ή λιγότερο αγώγιμων) είναι περισσότερο επιρρεπή σε επαγόμενες τάσεις λόγω του μικρού βαθμού προστασίας - θωράκισης (shielding) - που διαθέτουν. Τα συστήματα ραντάρ μεγάλων μεταλλικών σκαφών είναι επίσης εκτεθειμένα στα μεγάλα ηλεκτρομαγνητικά πεδία παρόλο της προστασίας που παρέχετε σε άλλα μέρη των συστημάτων. 2.3 Κίνδυνοι και συνέπειες από άμεσο κεραυνικό πλήγμα σε πλοίο Όπως προαναφέραμε, οι επιπτώσεις ενός άμεσου χτυπήματος από κεραυνό στο πλοίο είναι συχνά καταστροφικές. Σε αντίθεση με τα λειτουργικά συστήματα σε κτήρια στην στεριά, σε ένα πλοίο τα περισσότερα συστήματα και δίκτυα του είναι εκτεθειμένα στο κεραυνικό ρεύμα, εξαιτίας της αναπόφευκτης εγγύτητας τους στα περάσματα του κεραυνικού ρεύματος (αγωγοί καθόδου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας ή φυσικοί αγωγοί καθόδου), στην σπάνια περίπτωση που θα δεχθεί το πλοίο ένα άμεσο χτύπημα. Συνήθως, τα κατάρτια του πλοίου θα συλλέξουν τον κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης, καθώς αυτά προεξέχουν αρκετά μέτρα από το επίπεδο καταστρώματος. Στα σύγχρονα πλοία τα κατάρτια είναι κούφιες μεταλλικές ράβδοι (μεταλλικοί σωλήνες) οι διαστάσεις των οποίων επιλέγονται ανάλογα με την μηχανική αντοχή και τους σκοπούς ναυσιπλοΐας που θα εξυπηρετεί το πλοίο. Τα περισσότερα από αυτά είναι δεμένα με συρματόσχοινα με το κατάστρωμα. Όμως σε μερικά αγωνιστικά σκάφη ή για λόγους εικαστικούς, τα κατάρτια είναι φτιαγμένα από ξύλο ή συνθετικά υλικά (με μεταλλικά τελειώματα στην κορυφή συνήθως). Σε περίπτωση κεραυνικού πλήγματος, ακόμα και σε πλοία που διαθέτουν περισσότερα του ενός κατάρτια, το ρεύμα κεραυνού θα φτάσει στο κυρίως κατάστρωμα μέσω ενός μόνο δρόμου/καταρτιού, καθώς αυτά δεν διασυνδέονται μεταξύ τους στο μέγιστο ύψος, όπως είναι το προκαθορισμένο για τα τερματικά του συστήματος προστασίας σε κτίρια [8]. Οι επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος εξαρτώνται κυρίως από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του κεραυνού μέγιστο ρεύμα, φορτίο που φέρει κ.ο.κ. Ένα πλοίο είναι πολύ μικρό από άποψη διαστάσεων σε σχέση με το ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό σύστημα που παράγει και διαδίδει τους κεραυνούς. Επομένως, δε θα εισάγει καμία υλική διαφοροποίηση στο μονοπάτι διάδοσης του κεραυνού και πρέπει να είναι σχεδιασμένο για να υποστεί το ρεύμα που θα το διαρρεύσει. Το πέρασμα του κεραυνού διαμέσου του πλοίου ή από την επιφάνεια του εγκυμονεί 24

25 κινδύνους για την δομική κατασκευή του, για τα συστήματα και τα όργανα ναυσιπλοΐας που φέρει αλλά και για τους ανθρώπους που το επανδρώνουν [9]. Μόλις ο κεραυνός χτυπήσει το κατάρτι του πλοίου, μια μεγάλη διαφορά δυναμικού θα δημιουργηθεί κατά μήκος του καταρτιού και του καταστρώματος του καραβιού. Η επαγωγή μιας κούφιας μεταλλικής ράβδου είναι της τάξης του 1μΗ/m για τις διαστάσεις ενός συνηθισμένου καταρτιού. Υποθέτοντας έναν κεραυνό με κλίση ρεύματος 30 GA/s και κατάρτι ύψους 20 μέτρων, εύκολα υπολογίζουμε ότι η πτώση τάσης στην κορυφή του καταρτιού θα είναι 600 kv ( V = L di/dt). Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα δημιουργίας ηλεκτρικού τόξου στην κορυφή του καταρτιού ή στο κατάστρωμα, στα σημεία ένωσης με το συρματόσχοινο, καθώς οι ηλεκτρικές συνδέσεις εκεί είναι οι πιο αδύναμες. Σε περίπτωση θετικού κεραυνού η υψηλότερη τιμή του ρεύματος ακολουθούμενη από το ρεύμα ουράς με μεγαλύτερη χρονική διάρκεια, μπορεί να παράγει αρκετά μεγάλη θερμότητα ώστε να λιώσει και να αποκόψει μεταλλικά μέρη και να πέσουν φλεγόμενα στο επίπεδο του καταστρώματος. Αυτό το γεγονός σε περιβάλλον υψηλού κινδύνου (φορτηγά πλοία πετροχημικών, εκρηκτικών κ.α.) μπορεί να προκαλέσει έκρηξη και πυρκαγιά. Αν τα κατάρτια είναι αρκετά ψηλά και σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, υπάρχει ο κίνδυνος δημιουργίας ηλεκτρικού τόξου ή side flash όπως αποκαλείται μεταξύ του ιστίου που θα προσβληθεί και των παρακείμενων. Κατάλληλα διασυνδεδεμένα συρματόσχοινα μπορούν να δημιουργήσουν ένα παράλληλο μονοπάτι για τον κεραυνό μειώνοντας έτσι την πτώση τάσης που θα δημιουργηθεί [8]. Σε μη μεταλλικά κατάρτια ιδιαίτερα σε ιστιοφόρα, με την παρουσία πανιών η πρόκληση φωτιάς είναι σχεδόν βέβαιη και συμβαίνει ακαριαία. Τα μεταλλικά τελειώματα των ιστίων στην κορυφή που χρησιμεύουν για την στερέωση των πανιών και την αποφυγή διάβρωσης όταν δεν είναι γειωμένα δυσχεραίνουν την κατάσταση καθώς λειτουργούν ως ηλεκτρόδια συλλογής του κεραυνού οδηγώντας τον κύριο κεραυνό στο κατάστρωμα από ένα δικατευθυντήριο μονοπάτι και μπορεί να βρεθεί στην φάση του οχετού επιστροφής με κίνδυνο ισχυρών εκρήξεων. Επομένως πρέπει απαραίτητα αυτά να γειώνονται στο υπόλοιπο μεταλλικό σκελετό του πλοίου ή στην πλάκα γείωσης στην καρίνα [8]. Ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός επηρεάζεται με παρόμοιο τρόπο από ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα. Εκτός από τις επαγόμενες τάσεις που προαναφέρθηκαν, οι συνδέσεις των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του πλοίου αποτελούν καλούς αγωγούς για την διάδοση του ρεύματος του κεραυνού, που είτε πλήττει απευθείας ένα εξάρτημα του ηλεκτρονικού κυκλώματος είτε μεταφέρεται στο ηλεκτρονικό κύκλωμα με ηλεκτρικές εκκενώσεις από γειτονικά κυκλώματα που έχουν πληγεί από τον κεραυνό. Ακόμη ο εξοπλισμός τηλεπικοινωνιών του πλοίου ραντάρ, κεραίες, δορυφορικά πιάτα κ.α. λόγω της θέσης τους ψηλά στα κατάρτια για να έχουν την καλύτερη δυνατή λήψη, είναι ιδιαίτερα επισφαλής να πληγεί από έναν κεραυνό και να καταστήσει τα συστήματα αυτά μη λειτουργικά θέτοντας σε κίνδυνο την ασφάλεια του πλοίου και των επιβαινόντων [9]. 25

26 Το προσωπικό ενός πλοίου και οι επιβαίνοντες, πέραν του κινδύνου που διατρέχουν εξαιτίας ζημιών στη δομική κατασκευή του πλοίου και στα ηλεκτρονικά του συστήματα, κινδυνεύουν αν έρθουν σε επαφή με αντικείμενα που δεν είναι γειωμένα και φέρουν υψηλά επαγόμενα δυναμικά. Τα ρεύματα που θα διαπεράσουν τον ανθρώπινο οργανισμό τότε, μπορεί να επιφέρουν καρδιακή προσβολή, κοιλιακή μαρμαρυγή, κάψιμο του δέρματος στα σημεία εισόδου και εξόδου και άλλες πιθανών θανάσιμες αντιδράσεις [9]. 2.4 Μέτρα προστασίας των πλοίων από κεραυνικά πλήγματα Προστασία ενάντια σε άμεσες επιδράσεις Η προστασία από τις άμεσες επιδράσεις του κεραυνού πρέπει να παρέχεται με την εξασφάλιση ότι υπάρχει μια διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης μεταξύ των σημείων του προσαρτήματος που επιλέγουμε και της γης, κατά μήκος της οποίας τα ρεύματα κεραυνού μπορούν να διέλθουν με ασφάλεια. Το μονοπάτι σύνθετης αντίστασης πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλή μηχανική αντοχή, επαρκή ικανότητα μεταφοράς ρεύματος και αποτελείται από [9]: 1. Ένα αεροσταθμό ικανό να λαμβάνει ένα άμεσο πλήγμα χωρίς να πάθει μεγάλη βλάβη. 2. Έναν αγωγό καθόδου για να συνδέει τον αεροσταθμό με τον ακροδέκτη γείωσης. 3. Έναν ακροδέκτη γείωσης που μπορεί να μεταφέρει με ασφάλεια μεγάλα ρεύματα στη θάλασσα [9]. Η επιλεκτική πρόσδεση παρέχει ένα βαθμό προστασίας έναντι των άμεσων πληγμάτων σε εξαρτήματα που βρίσκονται εντός της ζώνης προστασίας κάτω από ένα αεροσταθμό. Είναι απαραίτητο όλη η υποδομή και ο εξοπλισμός του πλοίου πάνω από το επίπεδο του καταστρώματος (με την εξαίρεση των ειδικά προστατευόμενων εγκαταστάσεων) να βρίσκονται εντός της ζώνης αντικεραυνικής προστασίας του συστήματος. Όπου είναι δυνατό, αυξημένες δομές που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν, όπως οι κεραίες, πρέπει να είναι εξοπλισμένες με αεροσταθμούς και αγωγούς καθόδου. Τα μεταλλικά κατασκευαστικά στοιχεία τα οποία μπορεί να δεχτούν κεραυνικό πλήγμα πρέπει να συνδεθούν με το πλησιέστερο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας από κεραυνούς γης.τέλος, ορισμένα είδη εξοπλισμού, όπως οι καλύπτρες,τα μαγνητόμετρα και τα φώτα ναυσιπλοΐας, πρέπει να βρίσκονται εκτός των μεγάλων ζωνών προστασίας του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Μια σειρά από ειδικές τεχνικές, όπως είναι η παροχή των εντοπισμένων ζωνών προστασίας, ταινίες εκτροπέα και τα κενά σπινθήρων είναι διαθέσιμα για να παρέχουν προστασία σε αυτές τις περιπτώσεις. Η επιλογή της πιο κατάλληλης τεχνικής εξαρτάται από τη φύση του σχετικού 26

27 εξοπλισμού και σε περίπτωση αμφιβολίας η WSA / MLS1 μπορεί να ληφθεί υπόψιν [9] Προστασία ενάντια σε δευτερεύοντες επιδράσεις Η προστασία πρέπει να παρέχεται από τις δευτερογενείς επιπτώσεις του κεραυνού, εξασφαλίζοντας ότι: 1. Η μόνωση μεταξύ γειτονικών εξαρτημάτων είναι επαρκή για να αντέχει τις τάσεις που μπορεί να προκύψουν μεταξύ τους. 2. Η διάταξη των αγώγιμων κυκλωμάτων, όπως καλώδια και σωλήνες, αποφεύγει μεγάλες επαγωγικούς βρόχους, και κατά συνέπεια μειώνει επαγόμενες τάσεις. 3. Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα «σκληραίνουν» με τη χρήση του ηλεκτρικού ελέγχου και προστασίας συσκευων, όπως είναι τα κενά σπινθήρων. 4. Υπάρχει επαρκής ηλεκτρική συνέχεια μεταξύ όλων των παρακείμενων μεταλλικών κατασκευών και εξαρτημάτων [9]. Παρά το γεγονός ότι μια αστραπή μπορεί ικανοποιητικά να αποδοθεί μέσω ενός αεροσταθμού και να μεταφερθεί με ασφάλεια στη γη μέσω του αγωγού καθόδου, οι κίνδυνοι για το προσωπικό και ο εξοπλισμός ενδέχεται να υπάρχουν ως αποτέλεσμα των δευτερογενών τάσεων που παράγονται λόγω του περάσματος των ρευμάτων κεραυνού μέσα από το πλοίο και μέσα στο νερό στην περιοχή της πλάκας γείωσης. Αυτοί οι κίνδυνοι είναι ζωτικής σημασίας εάν η τάση που παράγεται πυροδοτώντας σε περιοδικά ή στον εναέριο χώρο των δεξαμενών καυσίμων [9]. Οι δευτερεύουσες τάσεις μπορεί να επάγονται από τη ροή που συνδέεται με το ρεύμα κεραυνού. Σε αυτή την περίπτωση, η επαγωγική σύζευξη μπορεί να είναι μεταξύ αγωγών του κυκλώματος παράγοντας μία «απόκλιση» τάσης, ή μεταξύ καθενός από τους αγωγούς και της γης, που παράγουν μία τάση common mode. Τα αποτελέσματα των δευτερογενών τάσεων εξαρτώνται από το μέγεθος τους, τη φύση των μεμονωμένων κυκλωμάτων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Ως εκ τούτου, τα επιμέρους συστατικά, τα συστήματα και το πλοίο πρέπει να εξετάζονται ως ένα ενιαίο σύνολο για να εκτιμήσει κανείς την απαίτηση για τη δευτεροβάθμια προστασία και να σχεδιαστούν αναλόγως. Οι επιπτώσεις μπορούν να μειωθούν περαιτέρω με την υιοθέτηση των λειτουργικων διαδικασιών που ορίζονται στη ρήτρα a [9]. 27

28 2.5 Σύνοψη Οι πληροφορίες και οι παρατηρήσεις που μόλις παρουσιάστηκαν εφιστούν την προσοχή μας σε σημαντικά θέματα που σχετίζονται με την ασφάλεια από κεραυνικά πλήγματα των πλοίων και άλλων σκαφών. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και οι χρονικές τους παράγωγοι τους που οφείλονται σε κοντινά ή μακρινά κεραυνικά πλήγματα είναι σημαντικά υψηλότερα σε ένα σημείο μετά τη διάδοσή τους πάνω από τη θάλασσα από τα πεδία και τις παραγώγους τους στην ίδια απόσταση μετά τη διάδοσή τους πάνω από τη στεριά.το φαινόμενο αυτό με τη σειρά του προκαλεί τις επαγόμενες τάσεις σε αγώγιμα μέρη των ωκεάνιων συστημάτων, οι οποίες είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες σε συστήματα που περιορίζονται στη στεριά. Οι επιπτώσεις στα ναυτικά συστήματα από τις επαγόμενες τάσεις που προκαλούνται λόγω του ελικοειδούς καναλιού, οριζόντιων τμημάτων και άλλων περιπλοκών του καναλιού, ρευμάτων που διακλαδίζονται κλπ. θα πρέπει να μελετηθούν περαιτέρω λεπτομερώς για την επίτευξη της μέγιστης δυνατής προστασίας τόσο του εξοπλισμού όσο και του προσωπικού [14-18]. Σε αντίθεση με τα κτίρια και άλλες κατασκευές που υφίστανται στη στεριά, σε περίπτωση κεραυνού σε ένα σκάφος με κατάρτι/α το ρεύμα θα πάρει πιθανότατα ένα μόνο μονοπάτι μέχρι το επίπεδο του καταστρώματος, λόγω της μη διαθεσιμότητας των πολλαπλών διαδρομών. Αυτό μπορεί να προκαλέσει μεγάλη διαφορά δυναμικού η οποία αυξάνεται κατά μήκος του ιστού δημιουργώντας επικίνδυνες σπίθες μεταξύ των μη χωρισμένων ή χαλαρά συνδεδεμένων μεταλλικών μερών. Η κατάσταση επιδεινώνεται αν η αστραπή είναι θετικής πολικότητας που φέρει πολύ μεγαλύτερα ρεύματα και επιβάρυνση του εδάφους από την αντίστοιχη αρνητική. Οι λειτουργικές καμπίνες των σύγχρονων πολεμικών πλοίων περιέχουν πολλά μέρη που είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά και γυαλί, έτσι εκτός από τα καλώδια που κατευθύνονται σε ανοιχτούς χώρους (τα οποία σε μεγάλο βαθμό φωτίζονται έντονα από τα πεδία ακτινοβολίας του κοντινού κεραυνού), τα καλώδια σε αυτές τις καμπίνες μπορούν επίσης να υποβληθούν σε σημαντικές επαγόμενες τάσεις. Ο αντίκτυπος των προκαλούμενων επαγόμενων τάσεων μπορεί να είναι αρκετά σοβαρός σε περιπτώσεις όπως αυτές των πιθανών θυμάτων (ηλεκτρονικοί που βοηθούν στη ναυσιπλοία και διάφορες άλλες εργασίες) που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση. Μια ποσοτική ανάλυση της απόκρισης των καλωδίων του σήματος και της τροφοδοσίας μέσα σε ένα ναυτικό σκάφος, σε εξωτερικά (σε μικρή απόσταση αστραπές) ή εσωτερικά (λόγω της ροής ρεύματος κατά μήκος των ιστών ή επιφάνεια εκκενώσεων τόξου) η οποία να βρίσκεται σε θέση να παράγει ηλεκτρομαγνητικά πεδία λόγω κεραυνικών πληγμάτων μπορεί να γίνει είτε με τη μέθοδο FDTD ή με μοντέλα SPICE [15,19,20]. Εκτός από τον πλήρη ανάλυση (άμεσο πλήγμα κεραυνού), ακόμη και η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μερικές εκφορτίσεις κατά μήκος των μονωτικών επιφανειών που χωρίζονται από μεταλλικά μέρη (που ενεργούν είτε ως γειωμένα 28

29 είτε ως κυμαινόμενα ηλεκτρόδια) και προκαλείται από τα πολύ υψηλά ηλεκτρικά πεδία, λόγω των έντονων καταιγίδων μπορεί να προκαλέσει βλάβη στα ηλεκτρονικά συστήματα του πλοίου σε πολύ κοντινό εύρος [21]. Δυστυχώς, τα πρότυπα της IEC [22-24] που αναφέρονται στις εγκαταστάσεις των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων σε ένα πλοίο, δεν έχουν καμία αναφορά στους κινδύνους ενός κεραυνικού πλήγματος. Σε άλλο πρότυπο [25] αναφέρεται πως «οι ηλεκτρικές εκκενώσεις δεν λαμβάνονται υπόψιν, καθώς δεν υπάρχουν εξωτερικά καλώδια για να τις επάγουν στο πλοίο». Αυτή η δήλωση παραβλέπει το γεγονός ότι ένα κεραυνικό πλήγμα σε παρακείμενα αντικείμενα (ιστία, δορυφορική κεραία κ.α.) μπορεί να επάγει σημαντικά μεταβατικά μεγέθη στο ηλεκτρικό και ηλεκτρονικό σύστημα ώστε να τα καταστήσει μη λειτουργικά μόνιμα η προσωρινά. Το πρότυπο IEC (2006) series [26], που είναι το πιο περιγραφικό και αναλυτικό έγγραφο για την αντικεραυνική προστασία σε ισχύ έως σήμερα, επικεντρώνεται μόνο στα ηπειρωτικά συστήματα. Οι περιορισμοί ή οι ασάφειες αυτών των προτύπων για την εφαρμογή τους σε αντικεραυνική προστασία σε θαλάσσια συστήματα ακόμη ερευνάται. Τα μόνα υποστηρικτικά έγγραφα για την προστασία πλοίων από κεραυνικά πλήγματα προέρχονται από το πολεμικό ναυτικό των ΗΠΑ [27] και του Ηνωμένου Βασιλείου [9]. Αυτά τα πρότυπα προσφέρουν ορισμένες βασικές οδηγίες για την προστασία μεγάλων πολεμικών πλεούμενων έναντι άμεσων ηλεκτρικών εκκενώσεων. Ωστόσο ούτε αυτά αναφέρονται εκτενώς σε θέματα επαγόμενων ρευμάτων και δημιουργίας ηλεκτρικών τόξων υπό διάφορες περιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος [8]. Τα δεδομένα από διάφορες μελέτες ανά τον κόσμο [28] αποδεικνύουν το προφανές, ότι πρέπει δηλαδή να δημιουργηθούν πρότυπα και οδηγίες σαφείς και πλήρεις για την προστασία έναντι κεραυνικών πληγμάτων άμεσων και έμμεσων του εξοπλισμού, των επιβαινόντων και του σκαριού των πλοίων. Η ανάγκη αυτή καθίσταται ακόμα πιο επιτακτική στις περιπτώσεις πλεούμενων σε περιοχές με γλυκό νερό λίμνες και ποτάμια εξαιτίας της χαμηλής αγωγιμότητας του νερού, εφόσον εκεί έχουμε ένα κακό σύστημα γείωσης. Υπό αυτό το πρίσμα υποστηρίζουμε σθεναρά την ανάπτυξη ειδικών διεθνών προτύπων για τη διαφύλαξη της δομής και του φορτίου, του εξοπλισμού και των επιβατών των πλεουμένων, κυρίως, εκείνων που κατευθύνονται τακτικά στις παράκτιες τροπικές ζώνες. Τα πρότυπα αυτά θα πρέπει να να αναπτυχθούν με βάση της αρχές προστασίας που αναπτύχθηκαν στην ενότητα 2.4 για να συμπεριλάβουν την προστασία τόσο από ένα άμεσο πλήγμα όσο και τις δευτερεύοντες συνέπειες (δευτερογενείς τάσεις) που μπορεί να προκληθούν μετά το κεραυνικό πλήγμα. Παρακάτω παρατίθενται δύο διαγράμματα που παρουσιάζουν γραφικά τον αριθμό των πλοίων που υπέστησαν κεραυνικό πλήγμα και παρουσίασαν βλάβες είτε στο σκαρί τους (Σχήμα 2.5) είτε στα ηλεκτρονικά τους συστήματα (Σχήμα 2.6): 29

30 Σχ. 2.5:Διάγραμμα ποσοστιαίας κατανομής πλοίων που δέχθηκαν ζημιά στο σκαρί τους. 0 : κανένα διακριτό τρύπημα ή κάψιμο 1: μικρό τρύπημα ή κάψιμο που δεν επιτρέπει την εισροή υδάτων όμως 2 : μικρές τρύπες που δεν επιτρέπουν ανησυχητική εισροή υδάτων 3 : μεγάλες τρύπες (αρκετών χιλιοστών διαμέτρου) πάνω από την ίσαλο γραμμή 4: μεγάλες τρύπες (αρκετών χιλιοστών διαμέτρου) κάτω από την ίσαλο γραμμή [28] Σχ. 2.6 : Διάγραμμα ποσοστιαίας κατανομής πλοίων στα οποία τα ηλεκτρονικά τους συστήματα δέχθηκαν κανένα, ορισμένα ή όλα ζημιά εξαιτίας απευθείας κεραυνικών πληγμάτων [28] 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΛΟΙΟ 3.1 Γνωριμία με το πρόγραμμα Η διαδικασία της προσομοίωσης ενός ευθέως πλήγματος σε σημείο του πλοίου ενώ αυτό βρίσκεται στη θάλασσα (τέλειος αγωγός) πραγματοποιήθηκε στο πρόγραμμα CST STUDIO SUITE 2014.Για την πραγματοποίηση της προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε το εμπεριεχόμενο στο πρόγραμμα μοντέλο CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) 2014, το οποίο αποτελεί ένα εξειδικευμένο εργαλείο για προσομοίωση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων σε 3D για εξαρτήματα στην περιοχή τόσο των χαμηλών όσο και των υψηλών συχνοτήτων. Η προσομοίωση των έμμεσων επιπτώσεων από την πτώση κεραυνών σε δομές με μεταλλικά κελύφη (όπως πλοία και αεροπλάνα) μπορεί να επιτευχθεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) Οι τρέχουσες κατανομές των επιφανειακών ρευμάτων μπορούν να υπολογιστούν και η σύζευξη σε θωρακισμένες δομές να προβλεφθεί. Το CST MWS παρέχει τριών ειδών ports (σημεία διέγερσης) για την υλοποίηση της κάθε λογής προσομοίωσης:το discrete port, το waveguide port και το plane wave. Στα πλαίσια της παρούσας εξομοίωσης χρησιμοποιήθηκε το discrete port το οποίο δίνει πολύ καλά αποτελέσματα όταν η είσοδος είναι κρουστική. Υπάρχουν τρία είδη discrete ports στο CST, σχετικά με το τι αντιλαμβάνεται το port ως είσοδο: 1. Current port: Αυτό το είδος port αντιλαμβάνεται μια πηγή ρεύματος και διεγείρεται με ένα κρουστικό πλάτος ρεύματος. Το τρέχον σήμα διέγερσης καταγράφεται με κατά τη διάρκει εκτέλεσης της προσομοίωσης. 2. Voltage port: Αυτό το είδος port αντιλαμβάνεται μια πηγή τάσης και διεγείρεται με ένα κρουστικό πλάτος τάσης. 3. Impedance port (S-parameter): Αυτός ο τύπος port μοντελοποιείται από ένα συγκεντρωμένο στοιχείο, που αποτελείται από μια πηγή ρεύματος με μία εσωτερική αντίσταση που διεγείρει και απορροφά ενέργεια [7]. Στη δική μας περίπτωση η είσοδος είναι το ρεύμα λόγω του κεραυνικού πλήγματος οπότε χρησιμοποιήθηκε το discrete current port. Σχ. 3.1: Το discrete port [7] 31

32 Σχ. 3.2: Το μενού του discrete port με τους 3 τύπους του: S-Parameter, Voltage, Current 3.2 Το μοντέλο του πλοίου Σχ. 3.3: Τάνκερ. Για τις ανάγκες της προσομοίωσης κατασκευάστηκε στο CST ένα αντίστοιχο μοντέλο τάνκερ [29] 32

33 Το μοντέλο του πλοίου που χρησιμοποιηθήκε για τις ανάγκες της προσομοίωσης είναι ένας τύπος δεξαμενόπλοιου, γνωστότερος με τον όρο «τάνκερ». Το τάνκερ σχεδιάστηκε στο CST από την υποψήφια διδάκτορα Νικολοπούλου Ελένη από υλικό Steel-1008 (χάλυβας) σύμφωνα με τις παρακάτω διαστάσεις: Σχ. 3.4: Το σχέδιο του μοντέλου του τάνκερ που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση 33

34 Σχ.3.5:Το μοντέλο του τάνκερ όπου έγινε η εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος: Κάτω αριστερά στην εικόνα οι πληροφορίες της κατασκευής του. Βέβαια, εξίσου σημαντικό ενδιαφέρον στην ανάλυσή μας διαδραματίζει η επίδραση του πλήγματος και στο εσωτερικό του πλοίου. Για να μπορέσουμε να μελετήσουμε την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό θα πρέπει να «κόψουμε» το τρισδιάστατο πλοίο σε δύο διαστάσεις. Αυτό γίνεται εύκολα από το μενού View Cutting Plane επιλέγοντας την Y διεύθυνση όπως ακολουθεί παρακάτω: Σχ. 3.6: Άποψη του μοντέλου σε δύο διαστάσεις με χρήση της εντολής Cutting Plane 34

35 3.3 Η διαδικασία της προσομοίωσης Προκειμένου η προσομοίωση να εκτελεστεί χωρίς προβλήματα και να μας δώσει ορθά και λογικά αποτελέσματα σύμφωνα με τη θεωρία που έχει ήδη διατυπωθεί, θα πρέπει να προσδιοριστούν τα ακόλουθα: Η εισαγωγή του σήματος διέγερσης (excitation signal), οι συνοριακές συνθήκες που διέπουν το μοντέλο αφού πρώτα έχουν οριστεί οι επιθυμητές μονάδες μέτρησης, η επιλογή ενός σημείου διέγερσης στην επιφάνεια του μοντέλου το οποίο θα υποστεί το κεραυνικό πλήγμα καθορίζοντας το πλάτος του ρεύματος που θα δεχτεί και τις διαστάσεις της επιφάνειάς τους,ο ορισμός του κατάλληλου πλέγματος (mesh) για την επίτευξη της διακριτοποίησης προσέχοντας να καλύπτει ολόκληρο το μοντέλο και ο αριθμός των κελιών (mesh cells) να οδηγεί σε ένα όσο το δυνατόν συντομότερο χρόνο προσομοίωσης, η επιλογή των αποτελεσμάτων που επιθυμούμε να μας δώσει το πρόγραμμα σε 1D (τάσεις,επιφανειακά ρεύματα, ηλεκτρικό-μαγνητικό πεδίο σε σημεία του πλοίου) και 3D (επιφανειακά ρεύματα, πυκνότητα ρεύματος, ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο) σε χρονικό διάστημα που εμείς καθορίζουμε και τέλος από το μενού Setup Solver η επιλογή του πεδίου (χρόνου ή συχνότητας) στο οποίο θα εξαχθούν τα αποτελέσματα. Στις επόμενες υποενότητες αναφέρεται αναλυτικά η διαδικασία που ακολουθήθηκε προκειμένου να εξασφαλιστούν ορθά τα παραπάνω και να ξεκινήσει η προσομοίωση Το σήμα διέγερσης (excitation signal) Ο γρήγορος χρόνος ανόδου και η αργή αποσύνθεση των τυπικών κεραυνικών σημάτων είναι δυνατό να προσομοιωθούν από μια διπλή εκθετική μορφή, όπως η παρακάτω. Αυτή μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί στο CST MWS 2014 με το σήμα αναφοράς μια καθορισμένη από το χρήστη διέγερση. Θεωρούμε λοιπόν μια διπλοεκθετική συνάρτηση πλάτους 100 ka (μέγιστο δυνατό ρεύμα κεραυνού) από το μενού Simulation Signal New Excitation Signal 35

36 Σχ : Το μενού προσδιορισμού του excitation signal Στο σύνδεσμο Name and type definition προσιορίζουμε το όνομα του σήματος (signal2) και του τύπου της κυματομορφής (διπλοεκθετική). Στο σύνδεσμο Signal settings καθορίζονται η συνολική διάρκεια του σήματος, ο χρόνος ανόδου, ο χρόνος καθόδου και το πλάτος του (100 ka). Οπότε λαμβάνουμε την κυματομορφή του σχήματος η οποία είναι μια 10/350 μs κυματομορφή (στα 10 μs η ένταση του ρεύματος φτάνει στα 50 ka κατά το χρόνο ανόδου της κυματομορφής και στα 350 μs περνά από το ίδιο σημείο κατά το χρόνο καθόδου). Σχ : Η διπλοεκθετική κυματομορφή του σήματος διέγερσης (κεραυνικού πλήγματος) 36

37 3.3.2 Συνοριακές συνθήκες (boundaries) Πριν προχωρήσουμε στον προσδιορισμό των συνοριακών συνθηκών θα πρέπει να ορίσουμε τις μονάδες μέτρησης στο χώρο και στις συχνότητες. Επιλέγουμε τα μέτρα (m) τα khz και τα μs από το μενού Home Units για διαστάσεις,συχνότητα και χρόνο αντίστοιχα. Το εύρος συχνοτήτων (frequency range) μέσα στο οποίο βρίσκεται το υπό μελέτη πρόβλημα υπολογίστηκε απευθείας από τον solver του CST την πρώτη φορά που «έτρεξε» από 0-30 khz. Σχ : Οι μονάδες μέτρησης των μεγεθών του προβλήματος. Σχ : Το εύρος συχνοτήτων του προβλήματος. Όσον αφορά τον ορισμό των συνοριακών συνθηκών (boundaries) παρατηρούμε ότι το υπό μελέτη πρόβλημα είναι «ανοικτό» (open). Η έννοια του open boundary έχει να κάνει με το ότι το κύμα μπορεί να περάσει το όριο αυτό με ελάχιστες αντανακλάσεις όπως επιθυμούμε και εμείς στην περίπτωση του κεραυνικού πλήγματος.σε αυτό το συμπέρασμα μας οδήγησε και ένα από τα webinars του CST, όπου δίνονται συμβουλές για τη σωστή διαδικασία προσομοίωσης κεραυνικών πληγμάτων σε μεγάλες κατασκευές (όπως τα πλοία), όπως φαίνεται και στο σχήμα

38 Σχ : Εικόνα από webinar του CST για τον τρόπο προσομοίωσης κεραυνικού πλήγματος σε μεγάλες κατασκευές [30] Στην εικόνα του σχήματος καθορίζεται ότι οι συνοριακές συνθήκες για τέτοιου είδους προβλήματα πρέπει να είναι open, όπως επίσης και το είδος του σημείου διέγερσης που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί (discrete current port), το οποίο όμως θα αναλυθεί σε επόμενη υποενότητα. Οπότε από το μενού Simulation Boundaries επιλέγουμε open στη Χ και Υ διεύθυνση. Σχ : Οι συνοριακές συνθήκες που εφαρμόστηκαν στο πρόβλημα Στο zmax έχει τεθεί ως boundary το open (add space). Το όριο αυτό έχει την ίδια λογική με το open απλά προσθέτει επιπλέον χώρο κατά τη διεύθυνση που ορίστηκε. Ήταν απαραίτητος ο ορισμός του στον άξονα z, διότι η απόσταση του σημείου διέγερσης που επιλέξαμε να υποστεί το πλήγμα (port 1) ήταν μικρότερη από 3 mesh cells με αποτέλεσμα να μην ξεκινά η προσομοίωση, οπότε προστέθηκε χώρος στο zmax. 38

39 Σχ : Το πλοίο με τις συνοριακές συνθήκες open σε όλες τις διευθύνσεις εκτός από το zmax όπου έχει προστεθεί χώρος Επιλογή σημείου διέγερσης και μεθόδου προσομοίωσης Το βασικότερο βήμα αυτής της διαδικασίας είναι η επιλογή του σημείου που θα υποστεί το κεραυνικό πλήγμα και ο προσδιορισμός της τέλεια αγώγιμης επιφάνειας σε αυτό. Επιλέχθηκε λοιπόν το σημείο της εικόνας ως το σημείο όπου θα τοποθετηθεί το port (σημείο διέγερσης). Σχ : Το σημείο που δείχνει το κόκκινο βέλος επιλέχθηκε ως αυτό όπου θα τοποθετηθεί το discrete port Ο ορισμός του port έγινε σύμφωνα με την εικόνα του σχήματος Στο σημείο που επιλέχθηκε παραπάνω τοποθετήθηκε ως σημείο διέγερσης (port1) ένα discrete port τύπου current (από το μενού Simulation Discrete port), αφού η είσοδος σε αυτό θα είναι ρεύμα όπως καταλαβαίνουμε από την κυματομορφή που ορίσαμε ως excitation signal. Ως κανάλι της αστραπής (lightning channel) ορίστηκε ένα wire από το μενού Wires New Bond Wire μήκους 15 m κατασκευασμένο από τέλεια αγώγιμο υλικό (Perfect Electrode Conductor-PEC). Για να ολοκληρωθεί η εφαρμογή 39

40 του port1 πρέπει να εισάγουμε το ρεύμα που διαρρέει το port πριν την εφαρμογή του πλήγματος (πρέπει να είναι μια ελάχιστη τιμή π.χ. 1 Α) και τις διαστάσεις της επιφάνειάς του που επιλέγονται να είναι 0.2x 0.2 m. Ακόμα, επιλέγοντας Monitor voltage and current μετά το τέλος της προσομοίωσης θα προκύψουν οι γραφικές της τάσης και του ρεύματος κατά τη διάρκεια της στο port. Τέλος, τσεκάρουμε το κουτάκι Invert direction για να αλλάξει η πολικότητα του port, ώστε το σήμα να κατευθύνεται προς το πλοίο (σε αντίθετη περίπτωση η γραφική του ρεύματος στο port θα ήταν αρνητική). Σχ : Το wire ως lightning channel κατασκευασμένο από PEC στο σημείο που θα τοποθετηθεί το port1 40

41 Σχ : Το μενού ορισμού του port1 όπως περιγράφηκε στην υποενότητα Σχ : Το port1 (discrete current port) και το lightning channel στο οποίο θα πέσει ο κεραυνός Κατασκευή του πλέγματος διακριτοποίησης (mesh mode) Το πλέγμα διακριτοποίησης κατασκευάζεται και πυκνώνεται από το μενού Simulation Global Properties Hexahedral (legacy) το οποίο μας οδηγεί στις 41

42 ιδιότητες του Mesh (Mesh Properties). Στο σύνδεσμο Mesh Density Control μας δίνεται η δυνατότητα να πυκνώσουμε το πλέγμα, αφού γνωρίζουμε πως όσο πιο πυκνό είναι τόσο καλύτερα αποτελέσματα θα μας δώσει η προσομοίωση αυξάνοντας ωστόσο ραγδαία το χρόνο της προσομοίωσης. Ενδεικτικά επιλέγοντας lower mesh limit 20 και mesh line ratio limit επίσης 20 τα mesh cells ξεπέρασαν τα σε αντιδιαστολή με τα lower mesh limit και mesh line ratio limit 10, όπου τα cells είναι 33792! Από τη στιγμή που η ακρίβεια των αποτελεσμάτων είναι περίπου η ίδια στις δύο περιπτώσεις προτιμήθηκε η επιλογή των 10 ως lower mesh limit και mesh line limit για εξοικονόμηση χρόνου προσομοίωσης και μνήμης του προγράμματος. Σχ : Το μενού ορισμού των ιδιοτήτων του πλέγματος. Επιλέγοντας την καρτέλα Specials οδηγούμαστε στο μενού Special Mesh Properties όπου επιλέγουμε την καρτέλα Advanced και έπειτα τσεκάρουμε το κουτάκι Consider surrounding Space for lower mesh limit. Με αυτό τον τρόπο ολόκληρο το πλαίσιο οριοθέτησης (bounding box) τίθεται για το κατώτερο όριο mesh και όχι μόνο το πλέγμα που καλύπτει το πλοίο, όπως φαίνεται και στο σχήμα

43 Σχ : Ειδικές ιδιότητες του πλέγματος. Έπειτα, από το μενού Mesh View μπορούμε να δούμε το πλέγμα διακριτοποίησης όπως φαίνεται στο σχήμα Σχ : Το πλέγμα διακριτοποίησης από το μενού Mesh View Επιλογή των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο στόχος αυτής της προσομοίωσης είναι η αποτύπωση της μεταβολής ρευμάτων, τάσεων και ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκαλείται από άμεσο κεραυνικό πλήγμα στο σημείο του πλήγματος και σε άλλα σημεία (εσωτερικά και εξωτερικά) της επιφάνειας του τάνκερ. Αφότου λοιπόν ορίστηκε το σημείο διέγερσης στο πλοίο επιλέγουμε το μενού Simulation Field Monitors και εμφανίζεται στην οθόνη το μενού των σχημάτων Από την πληθώρα 43

44 των επιλογών που μας δίνονται επιλέγουμε για 3D απεικόνιση στα αποτελέσματα αυτά που μας ενδιαφέρουν, δηλαδή: Ηλεκτρικό πεδίο (E-field),Μαγνητικό πεδίο και επιφανειακό ρεύμα (H-field and Surface current), Πυκνότητα ρεύματος (Current Density). Επισημαίνεται πως όλες αυτές οι μετρήσεις στην παρούσα φάση γίνονται επίκεντρο το σημείο διέγερσης (port1). Στην επόμενη υποενότητα θα αναφερθούμε και στον τρόπο που θα πάρουμε παρόμοια αποτελέσματα και σε άλλα σημεία του τάνκερ με χρήση του μενού Probes. Για να ολοκληρωθεί η εντολή πρέπει να επιλέξουμε και το χρονικό διάστημα της προσομοίωσης στο οποίο θα αποτυπωθούν τα αποτελέσματα σε 3D. Τα αποτελέσματα σε 1D επιλέξαμε να αποτυπωθούν για χρονικό διάστημα μέχρι 540 μs. Αντίθετα, υπάρχουν δύο επιλογές για την αποτύπωση των 3D αποτελεσμάτων: η μία να επιλέξουμε τη συχνότητα γύρω από την οποία θα γίνουν οι παραπάνω μετρήσεις και η άλλη το χρονικό διάστημα της προσομοίωσης που θα αποτυπωθούν τα animations με βήμα δικής μας επιλογής αρκετό ώστε να γίνονται αντιληπτές τυχόν διαφοροποιήσεις. Έτσι για τα αποτελέσματα σε 3D επειδή μας ενδιαφέρουν κυρίως οι μεταβολές των πεδίων και των ρευμάτων στο peak της κυματομορφής του σήματος του κεραυνικού πλήγματος, επιλέχθηκε το χρονικό διάστημα από μs με βήμα 0.5 μs όπως φαίνεται και στα σχήματα που ακολουθούν. Ένας πολύ σημαντικός λόγος που προτιμήθηκε οι απεικονίσεις να αποτυπωθούν με βήμα χρόνου και όχι γύρω από μια κεντρική συχνότητα είναι και διότι στα αντίστοιχα αποτελέσματα σε 1D μας ενδιαφέρει η χρονική μεταβολή των παραπάνω μεγεθών και όχι η φασματική τους απόκριση. Σχ : Επιλογή των ιδιοτήτων απεικόνισης του ηλεκτρικού πεδίου σε 3D 44

45 Σχ : Επιλογή των ιδιοτήτων απεικόνισης του μαγνητικού πεδίου και του επιφανειακού ρεύματος σε 3D. Σχ : Επιλογή των ιδιοτήτων απεικόνισης της πυκνότητας ρεύματος σε 3D Επιλογή σημείων μέτρησης της έντασης ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (probes) Αναφέρθηκε προηγουμένως ότι η απεικόνιση της κατανομής επιφανειακών ρευμάτων, πυκνότητας ρεύματος και ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στο μοντέλο του τάνκερ σε 3D γίνεται μέσω του μενού Field Monitor. Για την προβολή όμως της χρονικής μεταβολής των πεδίων σε άξονες σε σημεία του δικού μας ενδιαφέροντος χρησιμοποιούμε το μενού Probes. Επιλέγοντας το μενού Probes New Probe εμφανίζεται το μενού όπως αποτυπώνεται στο σχήμα : 45

46 Σχ : Το μενού ορισμού των probes. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από το παραπάνω σχήμα στο σύνδεσμο Position ορίζουμε τις συντεταγμένες του σημείου στο οποίο θα τοποθετηθεί το probe. Επίσης, στο σύνδεσμο Field επιλέγουμε ποιες γραφικές θα μας δοθούν σε αυτό το σημείο μετά το πέρας της προσομοίωσης. Εμείς ενδιαφερόμαστε για τη μεταβολή και του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου, οπότε στα τέσσερα σημεία που επιλέχθηκαν εκτός του σημείου όπου υπέστη το κεραυνικό πλήγμα επιλέχθηκαν και τα δύο πεδία. Επιλέχθηκαν δύο εσωτερικά σημεία κοντά στο σημείο διέγερσης κάνοντας χρήση της εντολής Cutting Plane, η οποία έχει αναλυθεί στην αρχή του κεφαλαίου, για την πιο εύκολη τοποθέτησή του με συντεταγμένες (7,0,-2.5) που ονομάστηκε Control Area λόγω της θέσης του και ένα άλλο με συντεταγμένες (-2,0,-4). Το σημείο αυτό βρίσκεται ακριβώς από κάτω από το σημείο διέγερσης στο χώρο όπου βρίσκεται η σκάλα του πλοίου για να μελετήσουμε τη μορφή της κυματομορφής των πεδίων στο χώρο αυτό όπου αναμένουμε να παρουσιάζονται ταλαντώσεις. 46

47 Σχ : Το πρώτο σημείο του πλοίου που τοποθετήσαμε probe (με πράσινο χρώμα). Κάτω αριστερά οι συντεταγμένες του. 47

48 Σχ : Το δεύτερο εσωτερικό σημείο κάτω από το σημείο διέγερσης επίσης με πράσινο χρώμα. Σχ : Τα δύο probes όπως τοποθετήθηκαν στο τάνκερ με χρήση της εντολής Cutting Plane. Αντίστοιχα επιλέχθηκαν τρία εξωτερικά σημεία της επιφάνειας του πλοίου σε μεγαλύτερη απόσταση από το σημείο διέγερσης για να αξιολογήσουμε την επίδραση του πλήγματος σε ολόκληρο το τάνκερ με αποκορύφωμα τη «μύτη» του πλοίου όπου εισήχθη και το τελευταίο probe. Οι συντεταγμένες αυτών των σημείων φαίνονται στα παρακάτων σχήματα. 48

49 Σχ : Το probe στο πρώτο εξωτερικό σημείο. Σχ : Δεύτερο εξωτερικό σημείο όπου τοποθετήθηκε probe. Σχ : Το τελευταίο probe στη «μύτη» του πλοίου. 49

50 3.3.7 Επιλογή απεικόνισης μετρήσεων τάσης-ρεύματος Αντίστοιχα με τα probes που τοποθετούνται σε διάφορα σημεία και μετρούν τη μεταβολή των πεδίων υπάρχουν και οι voltage and current monitors που μετρούν ρεύμα και τάση σε σημεία της δικής μας επιλογής συναρτήσει του χρόνου. Για να πάρουμε τέτοιες μετρήσεις χρησιμοποιούμε σε σημεία που εμείς επιθυμούμε curves. Τα curves που χρησιμοποιούνται είναι ορθογώνιοι βρόχοι και κατασκευάστηκαν από το μενού Modelling Curves. Τοποθετήθηκαν 3 current monitors σε θέσεις σύμφωνα με το σχήμα και 2 voltage monitors αντίστοιχα. Σχ Οι current monitors στα σημεία όπου ελήφθησαν οι γραφικές του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου Εκκίνηση προσομοίωσης (setup solver) Την εντολή για την εκκίνηση της προσομοίωσης τη δίνουμε από το μενού Home Setup Solver. Πριν όμως επιλέξουμε την εκκίνηση της προσομοίωσης θα πρέπει να ελέγξουμε κάποιες ιδιότητες του Setup Solver. Η πρώτη είναι το πεδίο στο οποίο αυτός θα «τρέξει». Όπως βλέπουμε στην εικόνα του σχήματος υπάρχουν αρκετά είδη solver, εμείς όμως δουλεύουμε στο πεδίο του χρόνου οπότε επιλέγουμε το time domain solver. 50

51 Σχ : Είδη solvers, επιλέχθηκε το Time Domain Solver για να δουλέψουμε στο πεδίο του χρόνου. Στη συνέχεια αφού επιλέχθηκε το Time Domain Solver μεταβαίνουμε στο μενού του. Αρχικά επιλέγουμε το τύπο του πλέγματος που ορίσαμε, δηλαδή το Hexahedral (legacy) με ακρίβεια -30 db. Στο σύνδεσμο Simulation Settings μεταβαίνουμε στην καρτέλα Excitation List, η οποία μας ανοίγει το μενού Excitation Selection. Στο τελευταίο επιλέγεται ότι ο solver θα πρέπει να θεωρήσει ως σημείο διέγερσης το port1 και ως excitation signal στο port1 το signal2. Σχ : Το μενού του Time Domain Solver. Τα κόκκινα βέλη δείχνουν τις παραμέτρους που ορίζουμε. 51

52 Σχ : Το μενού της καρτέλας Excitation List. Τα κόκκινα βέλη δείχνουν το σημείο διέγερσης (port1) και το σήμα (signal2) που πρέπει να θεωρήσει ο solver. Υπάρχουν και άλλες ειδικές παράμετροι που μπορούν να οριστούν στο μενού του Solver. Στο μενού Specials στην καρτέλα General ορίζεται ο παράγοντας ευστάθειας για κάθε βήμα στο πεδίο του χρόνου (τα βήμα υπενθυμίζεται ότι είναι 0.5 μs). Ο παράγοντας αυτός σύμφωνα με την ιστοσελίδα του προγράμματος λαμβάνει τιμές 0-1 και για τη μεγαλύτερη τιμή έχουμε τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια στα αποτελέσματα με βάση πάντα το πλέγμα διακριτοποίησης που έχει επιλεγεί. Σε περίπτωση που κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης αυτή δεν καταστεί δυνατή και το πρόγραμμα ενημερώσει το χρήστη ότι το βήμα είναι ασταθές τότε μπορεί να μειώσει τον παράγοντα αυτό ρισκάροντας όμως την ποιότητα των αποτελεσμάτων. Ευτυχώς κάτι τέτοιο δεν ίσχυσε στην παρούσα προσομοίωση και τα αποτελέσματα εξήχθησαν με βαθμό ευστάθειας βήματος

53 Σχ : Το μενού των ειδικών παραμέτρων του Time Domain Solver. 3.4 Σύνοψη Στις παραπάνω ενότητες του κεφαλαίου 3 περιεγράφη αναλυτικά η διαδικασία ορισμού όλων των απαραίτητων παραμέτρων για την εφαρμογή κεραυνικού πλήγματος πλάτους 100 ka σε ένα σημείο του μοντέλου του τάνκερ. Όλα όσα ορίσαμε (Ports, Excitation Signals,Field Monitors, Voltage and Current Monitors,Probes, Mesh Control) φαίνονται στην αριστερή πλευρά της οθόνης (εκεί όπου θα φανούν και τα αποτελέσματα σε 1D και 2D/3D) στο σύνδεσμο Navigation Tree. 53

54 Σχ. 3.15: Το μενού του Navigation Tree με όλες τις παραμέτρους του προβλήματος όπως εμείς τις ορίσαμε. Αφού ολοκληρωθεί η παραπάνω διαδικασία μπορούμε να επιλέξουμε την εκκίνηση (setup) του solver είτε από το μενού του πατώντας το Start είτε από το μενού Home Start Simulation. Η διάρκειά της ξεπέρασε τις τρεις ώρες (ένας από τους βασικούς λόγους επιβράδυνσής της ήταν και η διεξαγωγή της σε λάπτοπ). Αρχικά ο solver ανιχνεύει αν έχουν οριστεί σωστά οι συνοριακές συνθήκες και εάν το βήμα εξασφαλίζει την ευστάθεια του προς μελέτη προβλήματος και αφού αυτά είναι ορθά συνεχίζει με την κατασκευή των γραφημάτων βάζοντας στους άξονες τις ζητούμενες ποσότητες και των 3D απεικονίσεων τα οποία ζητήθηκαν από την παραπάνω διαδικασία και στη συνέχεια προχωρά στην Transient Analysis που είναι και η διαδικασία της προσομοίωσης του πλήγματος. Αφού η διαδικασία αυτή φτάσει στο 100% (ο solver έπιασε το μέγιστο χρόνο προσομοίωσης) αποθηκεύονται τα αποτελέσματα σε 1D και 2D/3D. Μόνο μετά το πέρας όλης αυτής της διαδικασίας τα αποτελέσματα είναι προβιβάσιμα στο χρήστη. 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4o ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 4.1 Εισαγωγή Με την ολοκλήρωση της διαδικασίας της προσομοίωσης (Transient Analysis), αποθηκεύτηκαν τα αποτελέσματα στο σύνδεσμο Navigation Tree στους φακέλους 1D Results και 2D/3D Results όπως φαίνεται και στο σχήμα Οι γραφικές της τάσης και του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου αφού το κεραυνικό πλήγμα έπεσε στο port1 για το χρονικό διάστημα που επιλέξαμε (540 μs) αποθηκεύτηκαν στο φάκελο 1D Results. Στον ίδιο φάκελο αποθηεκύτηκαν και οι γραφικές της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου κατά τις X, Y, Z διευθύνσεις όπως και κατά απόλυτη τιμή (abs) στα σημεία όπου τοποθετήθηκαν τα probes. Αντίστοιχα, στο φάκελο 2D/3D Results αποθηκεύτηκαν οι τρισδιάστατες μεταβολές των πεδίων, του επιφανειακού ρεύματος και της πυκνότητας ρεύματος κατά μήκος του πλοίου για το χρονικό διάστημα μs με βήμα 0.5 μs. 4.2 Αποτελέσματα στη μία διάσταση Διαγράμματα ρευμάτων και τάσεων Στο φάκελο 1D Results στους υποφακέλους Current Monitors και Voltage Monitors βρίσκονται αποθηκευμένες οι γραφικές που παρουσιάζουν πως μεταβάλλονται ρεύμα και τάση στην επιφάνεια του πλοίου μετά την εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος. Η μεταβολή της τάσης συναρτήσει του χρόνου στο σημείο διέγερσης (port1) μετά την εφαρμογή κεραυνικού πλήγματος με πλάτος ρεύματος 100 ka βρίσκεται αποθηκευμένη στο φάκελο 1D Results Discrete Ports και είναι η εξής: 55

56 Σχ : Διάγραμμα τάσης-χρόνου στο port1 μετά την εφαρμογή του κεραυνικού πλήγματος πλάτους 100 ka. Ακολουθούν οι γραφικές παραστάσεις που περιγράφουν τη μεταβολή του ρεύματος στα 3 σημεία, σύμφωνα με το σχήμα , και τις λάβαμε από το φάκελο 1D Results Current Monitors: Σχ : Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου στο σημείο όπου τοποθετήθηκε ο Current Monitor 1 όπως φαίνεται στο σχήμα

57 Σχ : Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου στο σημείο όπου τοποθετήθηκε ο Current Monitor 2 όπως φαίνεται στο σχήμα Σχ : Μεταβολή του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου στο σημείο κοντά στη «μύτη» του πλοίου όπου τοποθετήθηκε ο Current Monitor 3 όπως φαίνεται στο σχήμα

58 Αντίστοιχα, ο voltage monitor στη «μύτη» του πλοίου μας έδωσε την εξής γραφική: Σχ : Μεταβολή της τάσης συναρτήσει του χρόνου στη «μύτη» του πλοίου. Παρατήρηση: Ο αριθμός 1 εντός των αγκυλών στα παραπάνω γραφήματα σημαίνει ότι όλοι οι monitors ορίστηκαν με το ίδιο curve (rectangle1). Συμπέρασματα: 1. Το ρεύμα πλάτους 100 ka του κεραυνικού πλήγματος στο port1 προκάλεσε μια πολύ μεγάλη τάση που ξεπέρασε τα 500 kv σε χρόνο 20 μs. Στη συνέχεια η τάση αρχίζει να μειώνεται και εν τέλει μηδενίζεται περίπου στα 130 μs. Κάτι τέτοιο δεν ισχύει στη «μύτη» του πλοίου, όπου η τάση παίρνει σαφώς μικρότερες τιμές (φτάνει μέχρι και τα 2000 V) αλλά εξακολουθεί να υφίσταται τάση της τάξης των 500 V ή μικρότερης μέχρι και μετά τα 500 μs. 2. Οι γραφικές του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου στα τρία σημεία όπου τοποθετήθηκαν οι current monitors είναι όμοιες μεταξύ τους ποιοτικά και με την κυματομορφή του ρεύματος του κεραυνού, η οποία σαφώς και συμπίπτει με τη γραφική του ρεύματος στο σημείο διέγερσης αφού το lightning channel είναι κατασκευασμένο από PEC. Παρουσιάζουν όμως μεγάλες διαφορές ως προς το πλάτος των ρευμάτων. Το πλάτους του ρεύματος στο σημείο όπου έχει τοποθετηθεί το πρώτο monitor σύμφωνα με το σχήμα φτάνει μέχρι μέχρι τα A τη χρονική στιγμή που το ρεύμα του κεραυνικού πλήγματος φτάνει τα 100 ka (γύρω στα μs 58

59 σύμφωνα και με το σχήμα 4.1.5) δηλαδή περίπου το 1/5 του ρεύματος κεραυνού. Σχ : Αλλαγή κλίμακας του σχήματος για τον ακριβή εντοπισμό του πλάτους του ρεύματος. Αντίστοιχα, στο σημείο όπου τοποθετήθηκε ο δεύτερος current monitor το πλάτος του ρεύματος είναι A τη χρονική στιγμή μs. Σχ : Αλλαγή κλίμακας του σχήματος για τον ακριβή εντοπισμό του πλάτους του ρεύματος. Τέλος, στη μύτη του πλοίου όπου έχει τοποθετηθεί ο τελευταίος current monitor το πλάτος του ρεύματος είναι A τη χρονική στιγμή μs. 59

60 Σχ : Αλλαγή κλίμακας του σχήματος για τον ακριβή εντοπισμό του πλάτους του ρεύματος. Από τις γραφικές των σχημάτων εύκολα παρατηρούμε πως η χρονική στιγμή στην οποία το πλάτος του ρεύματος γίνεται μέγιστο στα σημεία αυτά είναι με μικρή απόκλιση παρόμοια, αλλά η διακύμανση της τιμής του πλάτους πολύ μεγάλη και σημαντική. Το πλάτος ρεύματος της εκκένωσης κοντά στα 20 μs φτάνει τα 100 ka ενώ στο σημείο όπου έχει τοποθετηθεί ο μετρητής current1 φτάνει μόλις το 1/5. Στο δεύτερο σημείο το ρεύμα έχει υποδιπλασιαστεί (περίπου 11 ka) και σχεδόν η ίδια τιμή του πλάτους του ρεύματος-ελάχιστα για τα δεδομένα του προβλήματος μείωση στα 10.5 ka- φτάνει στη μύτη του πλοίου η οποία βέβαια εξακολουθεί να είναι μια πολύ μεγάλη τιμή που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τόσο τον εξοπλισμό όσο και τη ζωή του πληρώματος. Όπως αναμένεται άλλωστε αφού όλες οι κυματομορφές είναι ποιοτικά όμοιες η τελευταία αποσβέννυται πιο γρήγορα από τις υπόλοιπες Διαγράμματα μεταβολής ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου Στα σημεία όπου τοποθετήθηκαν τα probes (όπως αυτά ορίστηκαν στο κεφάλαιο 3) ελήφθησαν οι γραφικές παραστάσεις που παριστάνουν τη μεταβολή του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου σε αυτά συναρτήσει του χρόνου. Αρχικά υπενθυμίζεται η θέση των probes και επισημαίνεται ότι τα δύο πρώτα probes έχουν τποθετηθεί σε εσωτερικά σημεία του πλοίου, γι αυτό και δε φαίνονται ολόκληρα στο σχήμα που ακολουθεί. 60

61 Σχ : Τα 5 probes που τοποθετήθηκαν όπως φαίνονται από την εξωτερική επιφάνεια του τάνκερ. Παρακάτω θα παρουσιαστούν οι μεταβολές των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στα πέντε αυτά σημεία συναρτήσει του χρόνου κατά τις X, Y, Z διευθύνσεις και ABS. Παρουσιάζονται μόνο οι συνιστώσες των πεδίων που υπάρχουν, για παράδειγμα αν το ηλεκτρικό πεδίο σε ένα probe δεν έχει X συνιστώσα δηλαδή η μεταβολή του ως προς το χρόνο στη Χ συνιστώσα είναι μηδέν, το διάγραμμα έχει παραλειφθεί για ευνόητους λόγους. Στο πρώτο probe Control Area με συντεταγμένες (7.0, 0.0, -2.5) το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλονται ως εξής: Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (abs) στην Control Area. 61

62 Σχ :Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Χ) στην Control Area. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (abs) στην Control Area. 62

63 Σχ :Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Υ) στην Control Area. Σχ :Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Z) στην Control Area. Στο δεύτερο εσωτερικό probe το οποίο βρίσκεται κάτω από το port1, με συντεταγμένες (-2.0,0.0,-4.0), εκεί όπου υπάρχει η σκάλα του πλοίου οι χρονικές μεταβολές ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου είναι οι εξής: 63

64 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (abs) στο δεύτερο probe. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Y) στο δεύτερο probe. 64

65 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Z) στο δεύτερο probe. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (abs) στο δεύτερο probe. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Χ) στο δεύτερο probe. 65

66 Συμπεράσματα: Από τις παραπάνω γραφικές σε δύο εσωτερικά σημεία το ένα στην περιοχή όπου έπεσε το κεραυνικό πλήγμα και το άλλο στην εσωτερική σκάλα του πλοίου παρατηρούμε ότι η θεωρία επιβεβαιώνεται. Παράγεται ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρικό (μεγαλύτερο από 55 kv/m) και ένα λιγότερο ισχυρό μαγνητικό πεδίο (της τάξης των 1.5 ka/m) στην περιοχή του σημείου διέγερσης τα οποία μάλιστα αποσβέννυνται με διαφορετική ταχύτητα. Το ηλεκτρικό πεδίο αν και πολύ ισχυρότερο έχει μηδενιστεί πρακτικά στα 150 μs ενώ το μαγνητικό εξακολουθεί να υφίσταται με μια τιμή γύρω στα 600 A/m μέχρι το τέλος του χρόνου προσομοίωσης. Αντίθετα στο δεύτερο εσωτερικό σημείο οι τιμές και των δύο πεδίων είναι πολύ μικρότερες (του μαγνητικού είναι πρακτικά μηδέν). Το ηλεκτρικό πεδίο αποκτά τη μέγιστη τιμή του (7 kv/m) σε χρόνο 9 μs,στη συνέχεια ελαττώνεται κατά τα 5/6 μέσα σε χρονικό διάστημα 10 μs και έπειτα μέχρι το τέλος του χρόνου προσομοίωσης ταλαντώνεται μεταξύ των τιμών 0-1 kv/m. Ακολουθούν οι χρονικές μεταβολές των πεδίων στα τρία σημεία της επιφάνειας του τάνκερ όπου τοποθετήθηκαν τα probes 3-5. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (abs) στο probe 3. 66

67 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (X) στο probe 3. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Y) στο probe 3. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Z) στο probe 3. 67

68 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (abs) στο probe 3. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Χ) στο probe 3. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Y) στο probe 3. 68

69 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Ζ) στο probe 3. Παρατήρηση: Η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου στο σημείο αυτό είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη στο εσωτερικό του πλοίου. Αυτό είναι λογικό γιατί το πεδίο διαδίδεται στην επιφάνεια του πλοίου μέσω του αέρα ενώ για τη διάδοση στο εσωτερικό συναντά και άλλες επιφάνειες λόγω των οποίων ένα μέρος του χάνεται (ανάκλαση-διάθλαση κλπ). Από την άλλη το μαγνητικό πεδίο συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο και σε αυτό το σημείο παραγόμενο ουσιαστικά μόνο από την Υ συνιστώσα του, αφού οι άλλες δύο είναι αμελητέες σε αντίθεση με το ηλεκτρικό όπου συνεισφέρουν εξίσου και οι τρεις συνιστώσες. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (abs) στο probe 4. 69

70 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (X) στο probe 4. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Y) στο probe 4. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Z) στο probe 4. 70

71 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (abs) στο probe 4. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (X) στο probe 4. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Y) στο probe 4. 71

72 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Z) στο probe 4. Παρατήρηση: Στο δεύτερο επιφανειακό σημείο όπου τοποθετήθηκε το probe 4 παρατηρούμε ότι τα πλάτη και των δύο πεδίων έχουν μειωθεί, κάτι το οποίο είναι αναμενόμενο διότι απομακρυνόμαστε από το port1 οπότε έχουν να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση άρα υπόκεινται και σε μεγαλύτερη εξασθένιση. Η τιμή του ηλεκτρικού πεδίου όμως αν και μειωμένη εξακολουθεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη στο εσωτερικό και στην παραγωγή του συνεισφέρουν και εδώ όλες οι συνιστώσες του. Αντίθετα, το πλάτος του μαγνητικού πεδίου έχει μειωθεί περίπου στο μισό σε σχέση με το προηγούμενο σημείο όπου μετρήθηκε και στην παραγωγή του και εδώ συνεισφέρει μόνο η μία συνιστώσα ουσιαστικά, η Υ. Τέλος, παρουσιάζονται οι αντίστοιχες γραφικές στο τελευταίο probe που έχει τοποθετηθεί σε σημείο στη μύτη του πλοίου, που είναι και το σημείο του πλοίου που απέχει περισσότερο από κάθε άλλο από το σημείο διέγερσης. 72

73 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (abs) στο probe 5. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (X) στο probe 5. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (Y) στο probe 5. 73

74 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (abs) στο probe 5. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (X) στο probe 5. Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Y) στο probe 5. 74

75 Σχ : Διάγραμμα της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου (Z) στο probe 5. Παρατήρηση: Στη μύτη του πλοίου έχουμε πολύ μεγάλη μείωση του ηλεκτρικού πεδίου αφού από τις τιμές της τάξης του 1.5x10 5 V/m που λάμβανε στα δύο προηγούμενα εξωτερικά σημεία, εδώ πέφτει στα V/m και είναι μικρότερη και από την τιμή που λαμβάνει στην Control Area. Αντίστοιχα, το μαγνητικό πεδίο υφίσταται άλλο ένα υποδιπλασιασμό στο πλάτος του, όπως είχε συμβεί και στο προηγούμενο σημείο. Εδώ στην παραγωγή του ηλεκτρικού πεδίου συνεισφέρουν οι δύο από τις τρεις συνιστώσες (Χ και Υ), ενώ στο μαγνητικό πεδίο εξακολουθεί να συνεισφέρει ουσιαστικά μονάχα η Υ συνιστώσα. Συμπέρασμα: Το ηλεκτρικό πεδίο κατά τη διάδοσή του κατά μήκος του τάνκερ παρουσιάζει πολύ μεγάλες διαφοροποιήσεις. Στην εξωτερική επιφάνεια εξασθενεί εκθετικά όσο απομακρύνεται από το σημείο διέγερσης έχοντας όμως συνεχώς μεγαλύτερο πλάτος σε σχέση με το εσωτερικό. Παρόμοια είναι και η διάδοση του μαγνητικού πεδίου με τη διαφορά ότι τα πλάτος του είναι πολύ μικρότερο και στο εσωτερικό είναι πρακτικά μηδέν, ενώ στην εξωτερική επιφάνεια υποδιπλασιάζεται καθώς απομακρυνόμαστε από το σημείο διέγερσης. Ενδιαφέρον επίσης έχει ότι στην παραγωγή του μαγνητικού πεδίου κύριο ρόλο παίζει σχεδόν αποκλειστικά η Υ συνιστώσα του, σε αντίθεση με το ηλετρικό όπου όλες οι συνιστώσες (με εξαίρεση το probe 5) συνεισφέρουν στην παραγωγή του. 75

76 4.3 Αποτελέσματα σε τρεις διαστάσεις Εκτός από τα plots που παρουσιάστηκαν ανωτέρω μετά το τέλος της προσομοίωσης αποθηκεύτηκαν στο φάκελο 3D Results τα animations που ζητήθηκαν στο μενού Field Monitors για χρονικό διάστημα μs με βήμα 0.5 μs αφού γνωρίζουμε ότι το peak της κυματομορφής του excitation signal υφίσταται γύρω τη χρονική στιγμή των 20 μs. Οι απεικονίσεις που λάβαμε έχουν να κάνουν με τη 3D κατανομή του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου για το ανωτέρω χρονικό διάστημα, την κατανομή του επιφανειακού ρεύματος σε αυτό, όπως επίσης και την αντίστοιχη της πυκνότητας ρεύματος. Όλα τα σχήματα που ακολουθούν είναι τα animations τη στιγμή 20.5 μs, που είναι και η στιγμή του peak. 3D animations του ηλεκτρικού πεδίου για χρόνο t=20.5 μs Σχ : Απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs κατά τη Χ διεύθυνση. 76

77 Σχ : Απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs κατά την Υ διεύθυνση. Σχ : Απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs κατά την Ζ διεύθυνση. 77

78 Σχ : Απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Abs). 3D animations του μαγνητικού πεδίου για χρόνο t=20.5 μs Σχ : Απεικόνιση του μαγνητικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Χ). 78

79 Σχ : Απεικόνιση του μαγνητικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Υ). Σχ : Απεικόνιση του μαγνητικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Ζ). 79

80 Σχ : Απεικόνιση του μαγνητικού πεδίου στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Abs). 3D animations του επιφανειακού ρεύματος για χρόνο t=20.5 μs Σχ : Απεικόνιση του επιφανειακού ρεύματος στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Χ). 80

81 Σχ : Απεικόνιση του επιφανειακού ρεύματος στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Y). Σχ : Απεικόνιση του επιφανειακού ρεύματος στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Z). 81

82 Σχ : Απεικόνιση του επιφανειακού ρεύματος στο πλοίο τη στιγμή 20.5 μs (Abs). Συγκεντρωτικά τα peaks στα σημεία που λήφθησαν οι μετρήσεις για ρεύματα, τάσεις και ηλεκτρομαγνητικά πεδία (δηλαδή τα αποτελέσματα σε 1D) συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: Σημείο Peak (A) Current Current Current Σημείο Peak (V) Voltage Voltage Σημείο Peak E-field (V/m) Peak H-field (A/m) Probe Probe Probe Probe Probe