Hydroelastic analysis and optimization of biomimetic propulsion systems with application to ship energy-saving devices

Ανεβλαβή, Δήμητρα; Anevlavi, Dimitra

dc.contributor.author	Ανεβλαβή, Δήμητρα
dc.contributor.author	Anevlavi, Dimitra
dc.date.accessioned	2025-01-17T07:43:29Z
dc.date.available	2025-01-17T07:43:29Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60808
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28504
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Συσκευές Εξοικονόμησης Ενέργειας Πλοίου	el
dc.subject	Μέθοδος Συνοριακών Στοιχείων	el
dc.subject	Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων	el
dc.subject	Αλληλεπίδραση Ρευστού-Κατασκευής	el
dc.subject	Fluid Structure Interaction	en
dc.subject	Finite Element Method	el
dc.subject	Boundary Element Method	el
dc.subject	Hydroelasticity	el
dc.subject	Optimization	el
dc.title	Hydroelastic analysis and optimization of biomimetic propulsion systems with application to ship energy-saving devices	en
dc.title	Υδροελαστική ανάλυση και βελτιστοποίηση βιομιμητικών συστημάτων πρόωσης με εφαρμογή σε συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας πλοίου	el
dc.contributor.department	Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Υδροελαστικότητα	el
heal.classification	Βιομιμητική Πρόωση	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-06-11
heal.abstract	Aquatic locomotion has been an active field of research for decades and continues to inspire technological solutions, ranging from small-scale propulsion systems for autonomous underwater vehicles (AUVs) to larger-scale energy-saving devices (ESDs) for ships. Most flapping-foil systems derive bio-inspiration from the thrust-producing kinematics found among marine mammals and other species, such as the Bluefin tuna, who achieve remarkable efficiency over large-distance cruising and maintain excellent maneuverability. Extensive experimental and numerical research on aquatic locomotion suggests that passively deforming wings with properly tuned material properties attain greater propulsive efficiency compared to equivalent rigid wings, and thus are prime candidates for optimization studies. The present work addresses two relevant engineering problems related to lifting surfaces for hydrodynamic propulsion with direct technological applications. These problems are namely the hydro-elastic analysis of passively morphing wing thrusters, and the prediction of partial cavitation phenomena on hydrofoils operating beneath the free surface. Related to the former, the cost-effective computational tool FlexWing3D has been developed to address the fluid-structure interaction problem associated with the elastic response prediction and hydrodynamic performance evaluation of passively deforming wings operating as marine thrusters (or thrust augmentation devices) that undergo prescribed flapping motion. The elastic response of the wing submerged within the fluid medium is implicitly nonlinear since deformations affect the hydrodynamic pressure and vice-versa. To tackle the implicit non-linearity, a strongly coupled partitioned scheme has been developed. The present model couples an unsteady boundary element method (3dBEM), that is based on potential theory and treats the hydrodynamic problem of lifting flows around arbitrary morphing wings, with a finite element method based on Discrete Kirchhoff Triangles (2dFEM) that provides predictions for the response of a thin plate with stiffness variation assuming small strains/rotations. The proposed method is suitable for response predictions on wings of general geometry that operate in largely attached flow conditions. The computational tools are written in C/C++ and have GPU-acceleration features exploiting the capabilities of tailor-made CUDA-kernel functions for parallel computation on NVIDIA graphics cards. Optimization studies for realistic AUV propulsion scenarios are conducted, involving both actively and passively morphing wings, revealing trends that are useful to the design of more efficient bio-mimetic thrusters. Our motivation behind the latter engineering problem, studied here, is derived from the findings of several studies; concluding that hydrofoils operating near the free surface are highly prone to cavitation phenomena, which can significantly affect their operation. This may also result in adverse effects such as induced noise, vibration, structural failure and drop in performance. In general, cavitation is defined as the appearance of vapor cavities that are in contact with the hydrofoil surface in an otherwise homogeneous liquid medium. Moreover, advances in computational and experimental research have led to a better understanding of this multi-phase phenomenon, thus enabling researchers to predict and alleviate its adverse effects on hydrofoil performance. Nevertheless, the number of works found in the literature concerning high-fidelity cavitation models with free surface effects remains limited, mainly due to the complex nature of the physical problem. Our contribution to the field is a new continuous adjoint BEM-based optimization prediction method for the analysis of partially cavitating hydrofoils operating beneath the free surface. Following an inverse problem formulation, the attached-cavity is parameterized using B-spline interpolation and is modeled as a free-streamline. The design variable vector consists of the control points affecting the attached cavity shape and the cavitation number. Under the fixed cavity length assumption, the design variable vector is determined upon solution of the optimization problem along with the velocity potential. The hydrofoil moves at a constant speed at proximity to the free surface, and free-surface elevation, following a linearization assumption, is evaluated after the solution has been obtained. The developed PCavPreMod numerical model, written in Matlab, is found to predict well the cavity shape and cavitation number when compared against experimental data and other methods from the literature. A parametric study concerning the effects of Froude number and submergence depth on the cavitation number and cavity shape is included and discussed. The findings suggest that PCavPreMod can facilitate the preliminary design of partially cavitating hydrofoils operating beneath the free surface effects in conjunction with higher-fidelity multi-phase flow models. Finally, the present model can be extended to treat 3D, transient cavitation phenomena with direct application to the design of propeller blades and energy-saving devices in general.	en
heal.abstract	Ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (IMO) τα τελευταία χρόνια φέρνει στο προσκήνιο τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις του κλάδου της ναυτιλίας και υιοθετεί μέτρα που επιδρούν στο σχεδιασμό και τη λειτουργία πλοίων με στόχο τη μείωση των αερίων ρύπων και την αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Με τις νέες νομοθετικές ρυθμίσεις, οι πλοιοκτήτριες εταιρείες ενθαρρύνονται να λάβουν σοβαρά υπόψη το ενδεχόμενο υιοθέτησης νέων καινοτόμων τεχνολογικών προϊόντων που καθιστούν δυνατή τόσο την ενεργειακή αναβάθμιση της απόδοσης του υπάρχοντος στόλου αλλά όσο και τη ναυπήγηση ενεργειακά αποδοτικότερων και φιλικότερων προς το περιβάλλον πλοίων. Σε ότι αφορά τα μη συμβατικά συστήματα πρόωσης, ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του ’90 η μελέτη και σχεδίαση βιομιμητικών προωθητήρων, που είναι εμπνευσμένοι από τους μηχανισμούς ώσης και ελιγμών που απαντώνται στα θαλάσσια θηλαστικά και στα τονοειδή, κεντρίζει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. ΄Αλλωστε, δεν είναι τυχαίο πως ο αριθμός των δημοσιεύσεων στα πεδία αριθμητικής και πειραματικής προσομοίωσης ροών γύρω από πτέρυγες σε λειτουργία προωθητήρα αλλά και απομάστευσης ενέργειας, από κύματα/ρεύματα, έχει πληθύνει σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Τα αποτελέσματα είναι ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά και καταδεικνύουν πως τα βιομιμητικά πτερύγια μπορούν να παράγουν ώση με βαθμό απόδοσης εξίσου υψηλό με τις ναυτικές έλικες, καθιστώντας τα συστήματα αυτά φιλικότερα προς το περιβάλλον. Επιπλέον, η χαμηλόσυχνη λειτουργία τους, στο τυπικό εύρος αριθμών αδιάστατης συχνότητας Strouhal 0.2 − 0.4 όπου και παρατηρείται η μεγιστοποίηση της απόδοσης, δεν επιβαρύνει τον υποθαλάσσιο χώρο με υψηλά επίπεδα υποθαλάσσιου θορύβου σε αντίθεση τις ναυτικές έλικες. Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας αφορά τη μελέτη βιομιμητικών συστημάτων τύπου ταλαντούμενου πτερυγίου. Πιο συγκεκριμένα επικεντρώνεται στην ανάλυση προβλημάτων συμπεριφοράς και βελτιστοποίησης μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων που πραγματοποιούνται με τον κώδικα FlexWing3D που αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό. Το υπολογιστικό εργαλείο βασίζεται σε μία πλήρως συζευγμένη μέθοδο συνοριακών και πεπερασμένων στοιχείων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόλεξη των υδροδυναμικών φορτίσεων αλλά και της απόκρισης παθητικά παραμορφούμενων πτερύγων γενικής γεωμετρίας σε λειτουργία βιομιμητικού προωθητήρα, υπό το πρίσμα μοντελοποίησης του σύνθετου προβλήματος αλληλεπίδρασης ρευστού και κατασκευής. Η μαθηματική διατύπωση του υδροδυναμικού προβλήματος βασίστηκε στη θεωρία ιδανικού ρευστού, ενώ επεκτάθηκε για αυτό το σκοπό 3-Δ κώδικας συνοριακών στοιχείων (boundary element method, BEM) του εργαστηρίου ΕΝΘΥ. Η πτέρυγα με τη σειρά της ως κατασκευή μοντελοποιείται ως λεπτή πλάκα μεταβαλλόμενου πάχους και για τους αριθμητικούς υπολογισμούς αναπτύχθηκε 2-Δ κώδικας πεπερασμένων στοιχείων (finite element method, FEM) με στοιχεία Discrete Kirchhoff Triangles (DKT). Ο προωθητήρας θεωρήθηκε πλήρως βυθισμένος και τυχόν αλληλεπιδράσεις με άλλα σύνορα, όπως λ.χ. η κυματισμένη ελεύθερη επιφάνεια, ανομοιογένειες του πυθμένα και άλλα σώματα αμελούνται, στα πλαίσια αρχικής ανάπτυξης της παρούσας μεθοδολογίας. Εξετάζονται ενδεικτικά σενάρια βελτιστοποίησης παραμορφούμενων βιομιμητικών προωθητήρων με κατάλληλη ρύθμιση παραμέτρων γεωμετρίας και κινηματικής υπό περιορισμούς, με αποτελέσματα αξιοποιήσιμα στο σχεδιασμό τέτοιων συσκευών. Η επίλυση των επιμέρους προβλημάτων βελτιστοποίησης βασίστηκε σε αλγόριθμο sequential quadratic programming, όπου ο υπολογισμός των παραγώγων ευαισθησίας πραγματοποιείται με σχήμα πεπερασμένων διαφορών και διαδοχικές κλήσεις του συζευγμένου υδρο-ελαστικού υπολογιστικού εργαλείου. Τέλος, στα πλαίσια διερεύνησης μεθόδων βελτιστοποίησης, και λαμβάνοντας υπόψη τον αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης φαινομένων σπηλαίωσης για υδροτομές που λειτουργούν κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια, αναπτύχθηκε το μόνιμο 2D υπολογιστικό εργαλείο PCavPreMod για την πρόλεξη φαινομένων μερικής σπηλαίωσης με επιδράσεις ελεύθερης επιφάνειας. Το μαθηματικό μοντέλο βασίστηκε στις υποθέσεις της θεωρία ιδανικού ρευστού υιοθετώντας διατύπωση ‘αντίστροφου’ προβλήματος για το σχήμα της προσκολλημένης φυσαλίδας, που μοντελοποιείται ως γραμμή ροής. Για την επίλυση του προβλήματος βελτιστοποίησης που προκύπτει χρησιμοποιήθηκε η συνεχής συζυγής μέθοδος. Η επαλήθευση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε μέσω συγκρίσεων με άλλες μεθόδους από τη βιβλιογραφία, όπου καταδεικνύεται πως οι πρόλεξη του σχήματος της φυσαλίδας και του αριθμού σπηλαίωσης είναι αρκετά ικανοποιητικές. Επιπλέον, παρουσιάζονται αποτελέσματα παραμετρικής μελέτης για τη διερεύνηση επιδράσεων αριθμού Froude, γωνίας πρόσπτωσης και βύθισης από την ελεύθερη επιφάνεια σε σπηλαιούμενες υδροτομές. Το μοντέλο PCavPreMod μπορεί να αξιοποιηθεί για τη μελέτη και το σχεδιασμό υδροτομών, σε συνέργεια με άλλα μοντέλα πρόλεξης φαινομένων σπηλαίωσης, ενώ η επέκταση του σε μη-μόνιμες ροές στις 3Δ δίνει τη δυνατότητα πρόλεξης φαινομένων σπηλαίωσης φύλλου (sheet cavitation) σε πιο σύνθετες γεωμετρίες όπως οι ναυτικές έλικες.	el
heal.advisorName	Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος
heal.advisorName	Belibassakis, Kostas
heal.committeeMemberName	Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Παπαδάκης, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Αθανασούλης, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Belibassakis, Kostas
heal.committeeMemberName	Giannakoglou, Kyriakos
heal.committeeMemberName	Papadakis, George
heal.committeeMemberName	Athanassoulis, Gerassimos
heal.committeeMemberName	Triantafyllou, George
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyros
heal.committeeMemberName	Riziotis, Vasilis
heal.academicPublisher	Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	292
heal.fullTextAvailability	false