1 η εξαµηνιαία έκθεση προόδου έργου ΑΡΙΣΤΕΙΑ µε τίτλο: «Υποβοήθηση πρόωσης πλοίου σε πραγµατικές καταστάσεις θάλασσας µε βιοµιµιτικά συστήµατα» BIO-PROPSHIP, κωδ.444 ΕΚΘΕΣΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Κύριος Ερευνητής: Κων/νος Α. Μπελιµπασάκης ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΝΑΥΤΙΚΗΣ & ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ Τηλ. 210-7721138, 210-7721061 Fax: 210-7721397 Email: kbel@fluid.mech.ntua.gr
Εργο: Υποβοήθηση πρόωσης πλοίου σε πραγµατικές καταστάσεις θάλασσας µε βιοµιµιτικά συστήµατα (BIOPROPSHIP) ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ - ΣΤΟΧΟΙ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα συστήµατα βιοµιµιτικής πρόωσης πλοίων µπορεί να αποτελέσουν ιδανικές λύσεις για τη άντληση ενέργειας από θαλάσσιο περιβάλλον µετατρέποντας την σε χρήσιµη συµπληρωµατική ώση. Πρόσφατες πειραµατικές και θεωρητικές µελέτες που αφορούν την λειτουργία παλλοµένων υδροτοµών και πτερυγίων ως µηχανισµών πρόωσης επιβεβαιώνουν το συµπέρασµα ότι, κάτω από κατάλληλες συνθήκες, τα συστήµατα αυτά είναι σε θέση να αναπτύσσουν σηµαντική ώση, µε µεγάλους βαθµούς απόδοσης, οι οποίοι σε ορισµένες περιπτώσεις υπερβαίνουν το 100%. Από την άλλη πλευρά, η πολυπλοκότητα της κινηµατικής τών βιοµιµητικών συστηµάτων παλλόµενων πτερυγίων, σε σύγκριση µε τα τυποποιηµένα συστήµατα πρόωσης τύπου ναυτικών ελίκων, προυποθέτει την ανάπτυξη πιο εξελιγµένων µηχανισµών µετάδοσης της κίνησης και κατάλληλων συσκευών και συστηµάτων ελέγχου, αποτρέποντας προς το παρόν την εφαρµογή τους ως το κύριο ή αποκλειστικό σύστηµα πρόωσης των πλοίων. Σε πραγµατικές συνθήκες θάλασσας, το πλοίο υποβάλλεται σε ταλαντωτικές κινήσεις µετρίου ή µεγαλύτερου πλάτους από την επίδραση των κυµάτων, και η κατακόρυφη (ή/και εγκάρσια) κίνηση του πλοίου µπορεί να αξιοποιηθει για την παροχή του ενός από τους τρόπους της συνδυασµένης/σύνθετης ταλάντωτικής κίνησης ενός βιοµιµητικού συστήµατος πρόωσης. Παράλληλα, για διάφορους λόγους, η ζήτηση ενέργειας πρόωσης του πλοίου σε φουρτουνιασµένη θάλασσα είναι σηµαντικά αυξηµένη από την αντίστοιχη τιµή της αντίστασης σε ήρεµο νερό και για την ίδια ταχύτητα πλοίου, ειδικά στην περίπτωση των πρωραίων/πλευρικών κυµατισµών. Οι στόχοι του παρόντος έργου είναι να διερευνηθούν θεωρητικά και υπολογιστικά, και να παράχθούν τα απαιτούµενα υπολογιστικά εργαλεία για την σχεδίαση βιοµιµητικών συστηµάτων που υποβοηθούν την πρόωση του πλοίου σε κυµατισµό αυξάνοντας την απόδοση και ελαττώνοντας την κατανάλωση καυσίµου. Για το σκοπό αυτό, θα χρησιµοποιηθούν προηγµένα υπολογιστικά υδροδυναµικά µοντέλα και θα βελτιστοποιηθούν υπάρχοντες κώδικες, υποστηρίζοντας την ανάπτυξη κατάλληλων τεχνικών και συτηµάτων ελέγχου σε πραγµατικές καταστάσεις λειτουργίας. Οι θεωρητικές προβλέψεις θα συγκριθούν µε στοιχεία από άλλα µοντέλα και πειραµατικές µετρήσεις διαθέσιµες στη βιβλιογραφία, επικυρώνοντας τα υπολογιστικά εργαλεία που θα χρησιµοποιηθούν και υποστηρίζοντας τη συνολική διαδικασία σχεδιασµού του εξεταζόµενου συστήµατος. Πιό συγκεκριµένα, το µελετώµενο σύστηµα θα εκµεταλλεύεται την κατακόρυφη ταλαντωτική κίνηση του πλοίου που προκαλείται από τα κύµατα, και ο µηχανισµός ισχύος του θα παρέχει µόνο τη περιστροφική ταλάντωση µε τη κατάλληλη ελεγχόµενη ρύθµιση ώστε ο συνδυασµός των δύο κινήσεων παράγει την επιθυµητή προωθητική κίνηση τύπου ουράς ψαριού. Στα πλαίσια του έργου θα εξετασθούν διάφορες διατάξεις του παλλόµενου πτερυγίου, όπως οριζόντια και κατακόρυφη, καθώς και συνδυαστικές διατάξεις από περισσότερα του ενός πτερύγια σε σύγχρονη ή ασύγχρονη φάση ώστε, εκτός από την ανάπτυξη ώσης, να παράγεται και χρήσιµη αντιδιατοιχιστική ροπή ή άλλες σταθεροποιητικές δυναµεις µείωσης του εύρους των ταλαντώσεων του πλοίου και βελτίωσης της δυναµικής ευστάθειας πλοίου. Το εξεταζόµενο σύστηµα αναµένεται να αυξάνει τη συνολική απόδοση πρόωσης του πλοίου µέσω της αποµάστευσης ενέργειας από τα κύµατα, περιορίζοντας ταυτόχρονα µερικώς τις ταλαντωτικές κινήσεις του πλοίου 1
προσδίδοντας περισσότερη ευστάθεια και βελτιώνοντας τα χαρακτηριστικά της υδροδυναµικής συµπεριφοράς του πλοίου σε κυµατισµούς. Εποµένως, το προτεινόµενο σύστηµα, µετά τη θεωρητική ανάπτυξη του σε συνδυασµό µε παραγωγή συστηµάτων πρόβλεψης των χαρακτηριστικών λειτουργιας του, µπορεί να συνεισφέρει σε ένα νέο τεχνολογικό σχεδιασµό που συµβάλλει στην εξοικονόµηση ενέργειας στις θαλάσσιες µεταφορές και την ασφαλέστερη λειτουργία των πλοίων. Για το σκοπό αυτό, θα χρησιµοποιηθούν προηγµένα υπολογιστικά µοντέλα υδροδυναµικής υποστη-ρίζοντας την ανάπτυξη κατάλληλων τεχνικών και συστηµάτων ελέγχου σε πραγµατικές καταστάσεις λειτουργίας. Οι θεωρητικές προβλέψεις θα συγκριθούν µε στοιχεία από άλλα µοντέλα και πειραµατικές µετρήσεις διαθέσιµες στη βιβλιογραφία, επικυρώνοντας τα υπολογιστικά εργαλεία που θα χρησιµοποιηθούν και υποστηρίζοντας τη συνολική διαδικασία σχεδιασµού του εξεταζόµενου συστήµατος. Το παρόν έργο έχει συνολική διάρκεια 36 µηνών (από Μ1 έως Μ36) και υποδιαιρείται σε πέντε ενότητες εργασίας (ΕΕ), ως ακολούθως: ΕΕ1 Υδροδυναµική ανάλυση βιοµιµητικών συστηµάτων πρόωσης τύπου παλλοµένων πτερυγίων µε χρήση προηγµένων γραµµικών και µη γραµµικών µεθόδων (διάρκεια από Μ1 έως Μ18) ΕΕ2 Αλληλεπίδραση παλλόµενων πτερυγίων µε το πλοίο υδροδυναµική ανάλυση του συστήµατος σε κυµατισµούς (διάρκεια από Μ1 έως Μ30) ΕΕ3 Σχεδιασµός του συστήµατος ελέγχου για βελτιστοποίηση της λειτουργίας (διάρκεια από Μ3 έως Μ33) ΕΕ4 Ανάπτυξη αριθµητικού προσοµοιωτή για την κατάδειξη της λειτουργίας του εξεταζόµενου συστήµατος (διάρκεια από Μ12 έως Μ36) ΕΕ5 ηµοσιοποίηση διάχυση και κατοχύρωση των αποτελεσµάτων του έργου. ράσεις αξιολόγησης αποτελεσµάτων (διάρκεια από Μ6 έως Μ36) ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Η ΕΕ1 εκτείνεται σε µεγάλο µέρος της διάρκειας του έργου, και περιλαµβάνει πλήρη θεωρητική διερεύνηση και ανάπτυξη αριθµητικών µοντέλων για την υδροδυναµική ανάλυση του εξεταζόµενου συστήµατος. Αν και οι επιδράσεις ελαστικότητας των παλλόµενων πτερυγίων µπορεί να είναι επωφελείς, αυτό το θέµα αφήνεται να θιγεί προς το τέλος του έργου, και τα πτερύγια θεωρούνται απολύτως άκαµπτα. Θα χρησιµοποιηθούν τόσο χαµηλοτάξιες όσο και ανώτερης τάξης µέθοδοι συνοριακών στοιχείων, σε συνδυασµό µε αριθµητικούς προσοµοιωτές της διάδοσης και παραµόρφωσης στροβιλότητας στις τρείς διαστάσεις, για τη µοντελοποίηση της κινηµατικής και της δυναµικής των φύλλων στροβιλότητας που εκκινούν από κάθε ταλαντούµενο πτερύγιο. Αποτελέσµατα από τις µεθόδους που θα χρησιµοποιηθούν θα συγκριθούν µε πειραµατικά δεδοµένα, για να αξιολογηθούν. Σε πρώτο στάδιο, η υδροδυναµική ανάλυση θα αφορά τη λειτουργία του εξεταζόµενου συστήµατος σε άπειρο ρευστό και κάτω από την αδιατάρακτη ελεύθερη επιφάνεια του νερού (ΕΕ1) και σε επόµενο στάδιο θα διερευνηθούν οι επιδράσεις διαδιδόµενων κυµατισµών και των επαγόµενων ταλαντώσεων γάστρας (ΕΕ2). Ένα σηµαντικό µέρος αυτής της φάσης είναι η λεπτοερής διερευνηση και ποσοτικοποίηση των συντελεστών απόκρισης του συστήµατος για δεδοµένη κίνηση σε ότι αφορά την κατακόρυφη (ή εγκάρσια ανάλογα µε τη διάταξη) και περιστροφική ταλάντωση των παλλόµενων πτερυγίων. Αυτές οι πληροφορίες θα αξιοποιηθούν στην συνέχεια για το σχεδιασµό και τη βέλτιστη λειτουργία συστήµατος ελέγχου (ΕΕ3) το οποίο θα καθορίζει τη περιστροφική κίνηση 2
των πτερυγίων µε δεδοµενη τη κατακόρυφη (ή σε άλλο βαθµό ελευθερίας) ταλάντωση της γάστρας του πλοίου εξ αιτίας των κυµάτων. Παράλληλα, θα γίνει υπολογιστική διερεύνηση και θα χρησιµοποιηθούν µοντέλα αριθµητικής προσοµοίωσης του συζευγµένου προβλήµατος που αφορά το πλοίο προωθούµενο µε σταθερή ταχύτητα σε ρεαλιστική κατάσταση θάλασσας και του συστήµατος παλλοµένων πτερυγίων σε λειτουργία (ΕΕ4), µε σκοπό την κατάδειξη της αποτελεσµατικότητας του και τον βέλτιστο σχεδιασµό της µελλοντικής πειραµατικής διαδικασίας για επαλήθευση. Το τελευταίο πακέτο εργασίας (ΕΕ5) περιλαµβάνει δραστηριότητες δηµοσιοποίησης και αξιολόγησης, και επικεντρώνεται στην προβολή των προϊόντων του έργου σε συνδυασµό µε δηµοσίευση επιστηµονικών εργασιών και διάχυσης των αποτελεσµάτων. ΕΡΓΟ ΠΟΥ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΘΗΚΕ ΚΑΤΑ ΤΟ 1 ο ΕΞΑΜΗΝΟ Κατά το πρώτο εξαµηνο του έργου πραγµατοποιήθησαν οι ακόλουθες ερευνητικές εργασίες οι οποίες εντάσσονται σε δραστηριότητες των πρώτων Ενοτήτων Εργασίας (ΕΕ1 και ΕΕ2): 1. Συµβολή στην ανάπτυξη µη µονιµων πλεγµάτων και εκτίµησης υπολογιστικού κόστους αντιστοίχων µεθόδων για την προσοµοίωση της τριδιάστατης, µη µόνιµης βιοµιµητικής κίνησης, αρµονικής ή τυχαίας, για µεµονωµένο πτερύγιο. 2. Συµβολή στη διερεύνηση διαφόρων παραλλαγών γεωµετρίας πτερυγίου(ων) και γεωµετρικών διατάξεων. 3. Συµβολή στη συλλογή δεδοµένων από αναλυτικές και αριθµητικές µεθόδους και δεδοµένων από σχετικές πειραµατικές µετρήσεις για συγκρίσεις. 4. Συµβολή στη διερεύνηση επιδράσεων συνεκτικότητας από µελέτες σε διδιάστατες ταλαντούµενες υδροτοµές 5. Συµβολή στη διατύπωση συζευγµένου υδροδυναµικού προβλήµατος συστήµατος παλλοµένων πτερυγίων συναρµοσµένου στη γάστρα του πλοίου που προωθείται µε σταθερή ταχύτητα. 6. Συµβολή στην εφαρµογή της αναπτυχθείσας µεθοδολογίας για την πρόβλεψη της υδροδυναµικής συµπεριφοράς του συστήµατος σε επιβεβληµένες ταλαντώσεις 7. Συµβολή στη πρώτη διερεύνηση και ενσωµάτωση των επιδράσεων προσπίπτοντος κυµατισµού. 8. Συµβολή στην ανάπτυξη µεθόδων πρόβλεψης της υδροδυναµικής συµπεριφοράς του εξεταζόµενου συστήµατος σε επιβεβληµένες ταλαντώσεις κάτω από την αδιατάρακτη ελεύθερη επιφάνεια. Επίσης, έχουν ήδη πραγµατοποιηθεί δύο συµµετοχές σε διεθνή επιστηµονικά συνέδρια που ειδικεύονται σε σχετικά θέµατα στον επιστηµονικό τοµέα της ναυτικής και θαλάσσιας υδροδυναµικής µε αντίστοιχες δηµοσιεύσεις στα πρακτικά των συνεδρίων, οι οποίες περιγράφονται αναλυτικότερα κατωτέρω και εντάσσονται στις δραστηριότητες της Ενοτήτας Εργασίας 5 που αφορά την δηµοσιοποίηση και διάχυση των αποτελεσµάτων του έργου (ΕΕ5). ΕΠΙΣΚΕΨΕΙΣ ΦΙΛΟΞΕΝΙΕΣ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΤΑ ΤΟ 1 ο ΕΞΑΜΗΝΟ Ο κ. Κων/νος Πολίτης, Υποψ. ιδάκτορας της Ecole Centrale Nantes, πραγµατοποίησε επίσκεψη στην Αθήνα το διάστηµα από 20/12/2012 έως 8/1/2013, για συνεργασία µε 3
τον κύριο ερευνητή και λοιπά µέλη της ερευνητικής οµάδας στα πλαίσια του παρόντος έργου. Στα πλαίσια της επίσκεψης του διερευνήθηκε η ανάπτυξη κατάλληλων υπολογιστικών κωδίκων γένεσης πλεγµάτων (GPP: Geometric Preprocessor Programs) και κίνησης (MPP: Motion Preprocessor Programs) για την τροφοδοσία του γενικού κώδικα συνοριακών στοιχείων UBEM (Unsteady Boundary Element Modeling code), για την περίπτωση βιοµιµητικού συστήµατος πρόωσης τύπου παλλοµένου πτερυγίου. Όπως αναπτύσσεται στην σχετική έκθεση πεπραγµένων το πρόβληµα προσοµοίωσης που εξετάζεται είναι ιδιαίτερα computationally intensive κυρίως λόγω της διαχείρισης της κίνησης των ακολουθούντων φύλλων στροβιλότητας. Στο στάδιο αυτό της έρευνας γίνεται µια προσπάθεια να βελτιωθεί η ταχύτητα του Κώδικα UBEM, γεγονός που θα επιτρέψει την ευκολότερη εκτέλεση όλων των άλλων σταδίων εργασίας του ερευνητικού προγράµµατος που βασίζονται στη χρήση του κώδικα αυτού. ΠΑΡΑ ΟΤΕΑ ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΘΕΙ Σύµφωνα µε το Τεχνικό Παράρτηµα τα πρώτα παραδοτέα είναι προγραµµατισµένα για τον 9 ο µήνα από την έναρξη του έργου. Εν τούτοις, έχουν ήδη πραγµατοποιηθεί δύο (2) δηµοσιεύσεις στα πρακτικά διεθνών συνεδρίων που ειδικεύονται σε σχετικά θέµατα στον επιστηµονικό τοµέα της ναυτικής και θαλάσσιας υδροδυναµικής, µε ρητή αναφορά και ευχαριστίες στο έργο, ως ακολούθως: (1) Belibassakis, K.A., Politis, G.K., 2012, «Hydrodynamic analysis of flapping wing systems for augmenting ship propulsion in rough sea», Proceedings 22 Intern. Ocean and Polar Engineering Conference (ISOPE 2012), 17-22 June 2012, Rhodes-Greece. (2) Belibassakis, K.A., Politis, G.K., 2012, «Roll stabilization by vertical thrustproducing flapping wings using active pitch control», Proceedings of the 11th Intern. Conference on the Stability of Ships and Ocean Vehicles (STAB2012), 23-28 September 2012, Athens, Greece. Οι ανωτέρω δηµοσιεύσεις πραγµατοποιήθησαν ολίγον προ της ενάρξεως του έργου, χωρίς χρέωση στις δαπάνες του έργου. Αντίγραφα των δηµοσιεύσεων αυτών επισυνάπτονται. Επίσης έχει πραγµατοποιηθεί πρώτη δοκιµαστική ανάπτυξη ιστοσελίδας του έργου http://arion.naval.ntua.gr/~flappropship/ από όπου παρέχεται τεχνικό και πρόσθετο πληροφοριακό υλικό σχετικά µε το παρόν έργο, τις σχετικές δηµοσιεύσεις και τα αποτελέσµατα του. 4