Study of nonlinear dynamics of the surf-riding phenomenon of ships in waves using the method of Finite-Time Lyapunov Exponents

Στάμου, Κωνσταντίνα; Stamou, Konstantina

dc.contributor.author	Στάμου, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Stamou, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2015-09-09T08:45:14Z
dc.date.available	2015-09-09T08:45:14Z
dc.date.issued	2015-09-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41228
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9965
dc.rights	Default License
dc.subject	Ακολουθούντες κυματισμοί	el
dc.subject	Μη γραμμική δυναμική	el
dc.subject	Υψηλοί κυματισμοί	el
dc.subject	Άθικτη ευστάθεια	el
dc.subject	Λαγκρανζιανές συμπαγείς δομές	el
dc.subject	Surf-riding	en
dc.subject	Lyapunov exponents	en
dc.subject	Lagrangian coherent structures	en
dc.subject	Nonlinear dynamics	en
dc.subject	Following sea	en
dc.title	Study of nonlinear dynamics of the surf-riding phenomenon of ships in waves using the method of Finite-Time Lyapunov Exponents	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Stability of ships	en
heal.classification	Nonlinear dynamics	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-10
heal.abstract	In this thesis we aim to gain further insight into the nonlinear dynamical phenomena associated with ship motion in following seas. The manifestation of nonlinear dynamic behavior in surge direction acts as a precursor of ship instability in directions unrelated with the longitudinal one. More specifically, in steep following waves when ship is found near a wave trough, she may get captured in a stable condition where she obtains the wave’s phase velocity. This phenomenon is called the surf-riding phenomenon and according to literature it is a forerunner of broaching-to (unstable condition that causes sudden large heel leading to loss of controllability). So, avoiding surf-riding condition we manage to avoid the occurrence of dangerous instability. This is also depicted in the under development requirements of the “2nd Generation Intact Stability Criteria” of IMO. However, the dynamics that lead to such instabilities are not yet fully understood for irregular wave excitation. Using the theory of Lyapunov Characteristic Exponents (LCEs) and the method of Finite-Time Lyapunov Exponents (FTLEs) we attempt to further investigate the dynamics of the phenomenon. Applying the FTLE method we aim to extract the hyperbolic Lagrangian Coherent Structures (LCSs) that act as transport barriers of phase flow. Creating scalar fields of maximum FTLEs in the phase space of surge equation of motion and simultaneously choosing to show the ridges for various instances in time, we get material curves that evolve in time and in parallel define the phase flow transport. Considering regular wave excitation, these ridges coincide with stable and unstable manifolds of the corresponding phase portrait. This computational tool offers the chance to estimate delineated regions of different dynamical behavior in phase space (surf-riding or surging) through the visualization of structures (material curves) that do not permit the flow of phase particles across them. Hence, through the implementation of methodologies based in theory of Lyapunov Exponents we intend to understand the mechanisms that incur either the co-existence of surging and surf-riding depending on ship’s initial condition or the global capture to surf-riding.	en
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία σκοπεύουμε να αποκτήσουμε καλύτερη επίγνωση των μη γραμμικών φαινόμενων που συμβαίνουν κατά την κίνηση του πλοίου στη διαμήκη διεύθυνση θεωρώντας ακολουθούντες κυματισμούς. Η εκδήλωση μη γραμμικής συμπεριφοράς σε αυτή την περίπτωση λειτουργεί ως προάγγελος αστάθειας σε διεύθυνση διαφορετική από τη διαμήκη. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση έντονων κυματισμών, όταν το πλοίο βρεθεί κοντά στην κοιλάδα του κύματος μπορεί να “εγκλωβιστεί” σε μία ευσταθή κατάσταση αποκτώντας την ταχύτητα φάσης του. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται surf-riding και σύμφωνα με τη βιβλιογραφία προηγείται του broaching-to (ασταθής κατάσταση η οποία προκαλεί απότομη μεγάλη κλίση η οποία οδηγεί σε απώλεια ελέγχου). Έτσι, με αποφυγή εμφάνισης του surf-riding καταφέρνουμε να αποφύγουμε την πρόκληση επικίνδυνης αστάθειας. Αυτό αντικατοπτρίζεται και στις απαιτήσεις των υπό διαβούλευση “2ης γενιάς κριτηρίων άθικτης ευστάθειας” του IMO. Παρ’ όλα αυτά, τα δυναμικά φαινόμενα που οδηγούν σε τέτοιου είδους αστάθειες δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητά για πολυχρωματική διέγερση κυματισμών. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία των Χαρακτηριστικών Εκθετών Lyapunov (LCEs) και τη μέθοδο των Εκθετών Lyapunov Πεπερασμένου Χρόνου (FTLEs) επιχειρούμε να διερευνήσουμε τη δυναμική του φαινομένου. Εφαρμόζοντας την FTLE μέθοδο στοχεύουμε να εξάγουμε τις υπερβολικές Λαγκρανζιανές Συμπαγείς Δομές (LCSs) οι οποίες δρουν ως εμπόδια μεταφοράς της φασικής ροής. Δημιουργώντας βαθμωτά πεδία των μέγιστων FTLEs στο πεδίο των φάσεων της εξίσωσης κίνησης κατά τη διαμήκη διεύθυνση και ταυτοχρόνως επιλέγοντας να δείξουμε τις κορυφογραμμές του πεδίου για διάφορες στιγμές στο χρόνο, λαμβάνουμε υλικές καμπύλες οι οποίες εξελίσσονται στο χρόνο και παράλληλα καθορίζουν τη μετακίνηση της φασικής ροής. Θεωρώντας μονοχρωματική κυματική διέγερση, παρατηρούμε ότι οι παραπάνω κορυφογραμμές συμπίπτουν με τους ευσταθείς και ασταθείς κλάδους του αντίστοιχου πορτραίτου φάσεων. Αυτό το υπολογιστικό εργαλείο προσφέρει τη δυνατότητα να εκτιμήσουμε οριοθετημένες περιοχές διαφορετικής δυναμικής συμπεριφοράς στο χώρο φάσεων (surf-riding και surging) μέσω της απεικόνισης δομών (υλικές καμπύλες) οι οποίες δεν επιτρέπουν στη ροή να τις διαπεράσει. Συνεπώς, μέσω της εφαρμογής μεθοδολογιών βασιζόμενων στη θεωρία των εκθετών Lyapunov, επιχειρούμε να κατανοήσουμε μηχανισμούς οι οποίοι προκαλούν είτε τη συνύπαρξη της κίνησης surging και surf-riding ανάλογα με την αρχική συνθήκη του πλοίου είτε την καθολική εμφάνιση του φαινομένου surf-riding.	el
heal.advisorName	Σπύρου, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργίου, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	86 σ.
heal.fullTextAvailability	true