HEAL DSpace

Hydroelastic interaction between ocean waves and large floating structures in the inhomogeneous ocean environment

Αποθετήριο DSpace/Manakin

Εμφάνιση απλής εγγραφής

dc.contributor.author Karperaki, Angeliki en
dc.contributor.author Καρπεράκη, Αγγελική el
dc.date.accessioned 2021-03-30T06:32:31Z
dc.date.available 2021-03-30T06:32:31Z
dc.date.issued 2021-03-30
dc.identifier.uri https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53190
dc.identifier.uri http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20888
dc.description.abstract Interaction of waves with Very Large Floating Structures (VLFS) and sea ice formations present similarities permitting a common mathematical treatment and numerical modelling. Wave-induced structural response and its underlying effect on the hydrodynamic field are fundamental to the in-depth understanding of physical processes like ice shelf calving as well as the design of marine structures operating nearshore. The common features of the aforementioned systems are: (a) their low bending rigidity, (b) their inherently complex geometries and material inhomogeneity and (c) their extent over large horizontal domains, dictating the need to address the effects of bathymetric variations. The common ground allows for the development of joint computational tools for the treatment of the above coupled wave-structure-seabed interaction problems. Intricacies lay on the very same features, namely the large horizontal domains along with geometric and material inhomogeneity. In this work a novel methodology is proposed based on finite elements, in conjunction with coupled-mode system formulation, which is derived by appropriate local-mode representations of the vertical structure of the wave field. Confined in the linear regime, potential theory is employed. The floating body is assumed to be thin in the vertical direction within the limits of reduced elastic plate models. Depending on the structure slenderness and the excitation wavelength-to-plate thickness ratio, the structure is modelled using either Classical Thin or Reissner-Mindlin Plate theory to account for first order shear deformation effects. The wave field is decomposed in the propagating component over the variable bathymetry (in the absense of the body) and the diffraction and radiation parts both due to the rigid motions and the elastic plate deflection. An in vacuo modal expansion for the plate deflection is employed to partially decouple the hydrodynamics from structural mechanics. The employed decomposition allows for the formulation of a propagating wave field and a series of radiation-type sub-problems, formulated by following a domain decomposition approach using different vertical local-mode expansions enabling the consistent satisfaction of the boundary conditions on the free-surface and elastic body subdomains. The formulation is supplemented by introducing matching conditions on the interfaces separating the above subdomains. A weighted residual approach is employed to derive a permissive form of the latter facilitating a FEM-based scheme. To this end, radiation-type problems are re-cast into a mixed weak form by means of Lagrange multipliers defined on the interface between the plate-covered and the free surface regions, aiming at the weak satisfaction of the essential continuity requirement across the transmission interface. This approach circumvents the complexity of constructing appropriate finite element subspaces that would ab initio satisfy the Dirichlet type constraint. Subsequently, the dimensionality reduction of the problems at hand is achieved by the introduction of suitable local-mode vertical representations for the velocity potential in each sub-region, ultimately yielding the variational form of coupled-mode systems on the horizontal plane. The reduced weak forms allow the development of a FEM scheme that employs conventional Lagrange elements, capable of h-p refinement. Finally, the numerical tool incorporates a Perfectly Matched Layer, featuring an unbounded absorbing function, for the numerical domain truncation. Numerical results for a number of configurations are presented in both the 2D and 3D examples. Extensive comparisons are presented against results and data from the literature illustrating the accuracy of the method and showcasing its capabilities in modelling inhomogeneity. en
dc.rights Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα *
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ *
dc.subject Υδροελαστικότητα el
dc.subject Μεγάλες πλωτές κατασκευές el
dc.subject Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων el
dc.subject Σύστημα συζευγμένων ιδιομορφών el
dc.subject Μείωση διάστασης el
dc.subject Hydroelasticity en
dc.subject Large floating structures en
dc.subject Finite element method el
dc.subject Coupled mode system el
dc.subject Dimensionality reduction el
dc.title Hydroelastic interaction between ocean waves and large floating structures in the inhomogeneous ocean environment en
dc.title.alternative Υδροελαστική αλληλεπίδραση θαλάσσιων κυματισμών με μεγάλες πλωτές κατασκευές σε ανομοιογενές περιβάλλον el
heal.type doctoralThesis
heal.classification Υδροελαστική ανάλυση πλωτών κατασκευών el
heal.classification Hydroelastic analysis of floating structures en
heal.language en
heal.access free
heal.recordProvider ntua el
heal.publicationDate 2021-02-25
heal.abstract Η μελέτη των πλωτών κατασκευών μεγάλων οριζοντίων διαστάσεων (VLFS) βρίσκει πληθώρα εφαρμογών στην θαλάσσια και παράκτια μηχανική, και τα σχετικά υδροδυναμικά προβλήματα διαθέτουν κοινά χαρακτηριστικά με θέματα επιδράσεων θαλάσσιων κυματισμών σε γεωφυσικές μορφές όπως επιπλέοντα στρώματα πάγου. Αυτό επιτρέπει κοινή θεώρηση και αντιμετώπιση των αντιστοίχων μαθηματικών προβλημάτων. Η μελέτη των αποκρίσεων πλωτών σωμάτων μεγάλων διαστάσεων εμπίπτει στην περιοχή της υδροελαστικότητας λόγω της συζευγμένης αλληλεπίδρασης του υδροδυναμικού πεδίου με την ελαστική παραμόρφωση του σώματος. Οι φυσικές ανομοιογένειες των συνόρων του θαλάσσιου κυματοδηγού και της γενικής γεωμετρίας του ελαστικού σώματος, και η ύπαρξη χωρίων μεγάλων διαστάσεων καθιστούν ιδιαίτερα πολύπλοκο τον χειρισμό των προβλημάτων ακόμα και περίπτωση του γραμμικοποιημένου προβλήματος. Με στόχο την ανάπτυξη αποδοτικών τεχνικών επίλυσης για το τρισδιάστατο πρόβλημα, παρουσιάζεται μια αριθμητική μεθοδολογία βασισμένη σε σχήματα πεπερασμένων στοιχείων σε συνδυασμό με συστήματα συζευγμένων ιδιομορφών που βασίζονται σε κατάλληλες κατακόρυφες αναπαραστάσεις του μιγαδικού δυναμικού σε σειρά τοπικών ιδιομορφών. Για την απόκριση του ελαστικού σώματος χρησιμοποιήθησαν οι θεωρίες λεπτής πλάκας Kirchhoff και Mindlin για τις επιδράσεις διάτμησης. Λόγω της υπόθεσης της γραμμικότητας το συνολικό πεδίο αποσυντίθεται στις συνιστώσες του διαδιδόμενου κυματισμού (χωρίς την παρουσία του σώματος), του πεδίου περίθλασης και των πεδίων ακτινοβολίας λόγω των κινήσεων του σώματος ως απολύτως στερεού και της ελαστικής απόκρισης. Η τελευταία αναλύεται περαιτέρω στις in vacuo ιδιομορφές του ελαστικού σώματος με στόχο την μερική αποσύζευξη της υδροδυναμικού και του ελαστικού προβλήματος. Με την ανωτέρω επιλογή τα επιμέρους πεδία υπολογίζονται με την ικανοποίηση των κινηματικών συνθηκών. Η σύζευξη που επιτρέπει τη σύνθεση της τελικής λύσης επιτυγχάνεται με την ικανοποίηση της δυναμικής συνθήκης στην βρεχόμενη επιφάνεια του σώματος. Η προτεινόμενη στρατηγική συνίσταται από διακριτά βήματα και περιλαμβάνει την αριθμητική επίλυση του προβλήματος κυματικής διάδοσης σε μεταβαλλόμενη βαθυμετρία καθώς και τυπικών προβλημάτων ακτινοβολίας. Με στόχο την ανάπτυξη σχημάτων πεπερασμένων στοιχείων που υποβοηθούν την μοντελοποίηση σώματος ή συνδυασμού σωμάτων γενικής γεωμετρίας υιοθετείται η μέθοδος σταθμικών υπολοίπων για την παραγωγή ασθενών μορφών των επιμέρους υδροδυναμικών προβλημάτων. Η μείωση της διάστασης των ασθενών προβλημάτων επιτυγχάνεται με κατάλληλες κατακόρυφες αναπαραστάσεις για το υδροδυναμικό πεδίο διαφορετικές για τις υποπεριοχές ελεύθερης επιφάνειας και ελαστικού σώματος. Στα προβλήματα ακτινοβολίας απαιτείται η ικανοποίηση συνθηκών συνέχειας για το δυναμικό της ταχύτητας και την κάθετη ταχύτητα στη διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στις ανωτέρω υποπεριοχές που επιτυγχάνεται ασθενώς με χρήση πολλαπλασιαστών Lagrange. Το τυπικό πρόβλημα επανατοποθετείται σε μικτή μορφή που επιτρέπει την επιλογή συμβατικών χώρων για τις συναρτήσεις δοκιμής, και οδηγεί στην μεταβολική διατύπωση διαφορικών συστημάτων συζευγμένων ιδιομορφών στο οριζόντιο επίπεδο. Για την τελική διακριτοποίηση χρησιμοποιούνται σχήματα με συμβατικά Lagrange στοιχεία που επιτρέπουν h-p προσαρμοστικότητα. Τελος, παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα στον δισδιάστατο και τρισδιάστατο κυματοδηγό. Εκτεταμένες συγκρίσεις με στοιχεία από τη βιβλιογραφία καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου και αποτυπώνουν την δυνατότητα της μεθοδολογίας να χειριστεί την εγγενή ανομοιογένεια του προβλήματος. el
heal.advisorName Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος el
heal.committeeMemberName Αθανασούλης, Γεράσιμος el
heal.committeeMemberName Μαρκολέφας, Στυλιανός el
heal.committeeMemberName Σαμουηλίδης, Μανόλης el
heal.committeeMemberName Γεροστάθης, Θεόδωρος el
heal.committeeMemberName Θεοτόκογλου, Ευστάθιος el
heal.committeeMemberName Κατσαρδή, Βανέσσα el
heal.academicPublisher Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών el
heal.academicPublisherID ntua
heal.fullTextAvailability false


Αρχεία σε αυτό το τεκμήριο

Οι παρακάτω άδειες σχετίζονται με αυτό το τεκμήριο:

Αυτό το τεκμήριο εμφανίζεται στην ακόλουθη συλλογή(ές)

Εμφάνιση απλής εγγραφής

Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα Εκτός από όπου ορίζεται κάτι διαφορετικό, αυτή η άδεια περιγράφεται ως Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα