Υδροελαστική συμπεριφορά δομικών στοιχείων σε θαλάσσιες εφαρμογές υπό την επίδραση ακραίων καταστάσεων φόρτισης

Abstract

The present PhD Thesis entitled “Hydroelastic behavior of structural elements subjected to extreme loads in marine applications” includes three larger Sections (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) corresponding with three wider categories of the examined, extreme-loading problems. Section Ι includes two-dimensional violent impact investigations between bodies and the free-surface in order to study the development of hydrodynamic slamming forces. In the first chapter of the particular Section (chapter 2) the theoretical background of the employed numerical methodologies for simulating hydrodynamic bottom-slamming events (implying the violent downstroke of the body towards the initially calm free-surface) is analyzed. The corresponding Computational Fluid Dynamics (CFD) methodologies are two: (i) potential flow concept numerically approached by the BEM Method and (ii) viscous flow concept-turbulence modeling by RANS model in combination with the VOF free-surface tracking technique. In chapter 3 there is a theoretical, analytical approximation deployed regarding a different category of slamming events that is the “steep wave slamming” case, implying violent impact of a steep wave on a motionless structure which is perforated (there is a distribution of gaps along the impacted area of the structure). In particular the two-dimensional steep wave-slamming action is investigated for perforated cylindrical sections (of circular and elliptical geometry), for the first time within the related literature on hydrodynamics of perforated structures. The celebrated methodology can be employed for non-perforated structures, as well. In the following chapters 4 and 5 all numerical investigations of bottom-slamming cases for structures, at accordance: (a) cylinder (circular section), (b) polygonal section, (c) ship bow section, via the methodologies (i) and (ii) are deployed. Especially in chapter 5, a hydroelastic semi-analytic model is also presented for modeling the response of the bow-section to the particular slamming forces in time-domain. Section ΙΙ is dedicated to a part of the wider research that has been carried out within the framework of the Programme HELASFR R&D 2013, a collaboration between SNAME-NTUA and Ecole Centrale Marseille that aims to the determination of a complex hydrodynamic phenomenon, that is the development of 3rd-order interactions between incoming-reflected wave from a vertical metal plate which -by extending from an elevation significantly higher than the free-surface to the bottom- is mounted normally to the regular incoming wave-train. The two chapters of the current Section include the contribution of the present PhD student in the framework of the Programme, by (i) expanding the analytical formulation of the hydrodynamic diffraction-3rd order interaction problem this time for a floating (truncated) plate (chapter 6) and (ii) the mathematical formulation of the hydroelastic response of the plate subjected to the developed form the hydrodynamic problem actions (chapter 7). Although the particular hydrodynamic loadings are not of significantly high magnitudes, nevertheless they are characterized by intensively nonlinear profiles and by long durations, resulting into unpleasant stress conditions for the particular thin structure. Finally, Section IIΙ is dedicated to the dynamic stress conditions of marine pipelines-Steel Catenary Risers (SCRs) as determined by the solution of the nonlinear or the linearized hydroelastic system of equations of motion of the particular structural-types in the marine environment. The dynamic stress condition for particular SCR-models subjected to extreme –of large magnitude and high frequency- periodical translations of their top-end (the attached end of the pipeline to the Floating Structure) is analyzed. The particular excitations correspond with possible extreme displacements of the floater which can be caused by extreme marine environmental conditions. In detail, there are three individual chapters deployed. In the first two chapters the contribution to the SCR’s dynamic stress condition is examined by two individual factors: (i) the violent seabed-soil reaction force to the periodical touchdown of the SCR, which is calculated via geotechnical computational methodology (chapter 8) and (ii) the inner fluid (natural-gas) motion which is determined via CFD-turbulence modelling (chapter 9). At the third and last chapter of Section III (chapter 10) there is a comparative study presented between the widely employed structural discretization of the SCR via line-elements (rod-beam/pipe) and a new approximation, this time with shell-Finite Elements. The present shell-dynamics comcept aims to a more detailed mapping of the stress distribution on the actual, shell-like surface of the SCR.

Η ανά χείρας διδακτορική διατριβή με τίτλο “Υδροελαστική συμπεριφορά δομικών στοιχείων σε θαλάσσιες εφαρμογές υπό την επίδραση ακραίων καταστάσεων φόρτισης” περιλαμβάνει τρεις μεγάλες Ενότητες (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) οι οποίες αντιστοιχούν σε τρεις ευρύτερες κατηγορίες σχετικών προβλημάτων ακραίων φορτίσεων. Η Ενότητα Ι περιλαμβάνει περιπτώσεις δισδιάστατων προβλημάτων βίαιης πρόσκρουσης σωμάτων από/προς την ελεύθερη επιφάνεια με ανάπτυξη υδροδυναμικών δυνάμεων σφυρόκρουσης-slamming. Στο πρώτο κεφάλαιο της Ενότητας Ι (κεφάλαιο 2) περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο των υπολογιστικών μεθόδων προσομοίωσης του υδροδυναμικών φορτίσεων “bottom-slamming” που αντιστοιχούν στη βίαιη πτώση και πρόσκρουση σώματος σε αρχικά ήρεμη ελεύθερη επιφάνεια της θάλασσας. Οι σχετικές χρησιμοποιούμενες μέθοδοι Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) είναι δύο: (i) θεώρηση αστρόβιλου πεδίου ροής και προσομοίωση με τη Μέθοδο Συνοριακών Στοιχείων (Boundary Element Method-BEM) και (ii) θεώρηση ροής με στροβιλότητα-τυρβώδης προσομοίωση RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) σε συνδυασμό με τη μέθοδο προσέγγισης της ελεύθερης επιφάνειας, Volume of Fluid (VOF). Στο κεφάλαιο 3 αναπτύσσεται μία θεωρητική, αναλυτική προσέγγιση για μία διαφορετική κατηγορία προβλημάτων πρόσκρουσης-slamming, αυτή τη φορά λόγω της διέλευσης κύματος έντονης κλίσης (steep wave) σε ακίνητο σώμα που είναι διάτρητο, δηλαδή, περιέχει κενά κατά το μήκος της προσβαλλόμενης από το κύμα επιφάνειάς του. Η δισδιάστατη δράση της συγκεκριμένης μορφής “steep-wave slamming” εξετάζεται σε διάτρητη κυλινδρική τομή (σχήματος κύκλου και έλλειψης), κάτι που πραγματοποιείται για πρώτη φορά στη σχετική βιβλιογραφία υδροδυναμικών προβλημάτων διάτρητων κατασκευών. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία μπορεί να γενικευθεί και για μη διάτρητα στοιχεία. Στα κεφάλαια 4 και 5 παρατίθενται κατ’ αντιστοιχία τα αποτελέσματα των υπολογιστικών επιλύσεων προβλημάτων bottom-slamming με της μεθόδους (i) και (ii) για τα εξής δομικά στοιχεία: (α) κύλινδρος (κυκλική τομή), (β) πολυγωνική τομή, (γ) πρωραία τομή πλοίου ενώ ιδιαίτερα στο κεφάλαιο 5, αναπτύσσεται υδροελαστικό, ημι-αναλυτικό μοντέλο για την προσέγγιση της παραμόρφωσης της πρωραίας τομής υπό την δράση των εν λόγω δυνάμεων στο πεδίο του χρόνου. Η Ενότητα ΙΙ είναι αφιερωμένη σε ένα μέρος της ευρύτερης έρευνας του ερευνητικού προγράμματος HELASFR R&D 2013, μιας συνεργασίας ΣΝΜΜ ΕΜΠ-Ecole Centrale Marseille που έχει στόχο τον προσδιορισμό ενός πολύπλοκου υδροδυναμικού φαινομένου, αυτού των αναπτυσσόμενων 3ο-τάξιων αλληλεπιδράσεων μεταξύ επερχόμενων και ανακλώμενων κυματισμών από κατακόρυφη μεταλλική πλάκα, η οποία εκτεινόμενη από ύψος αρκετά ψηλότερα της ελεύθερης επιφάνειας έως τον πυθμένα, παρεμβάλλεται στο πεδίο των αρχικά κανονικών επερχόμενων κυματισμών. Τα δύο κεφάλαια της Ενότητας ΙΙ περιλαμβάνουν τη συνεισφορά του ΥΔ στις εργασίες του Προγράμματος με (i) την επέκταση της μαθηματικής διατύπωσης του υδροδυναμικού προβλήματος περίθλασης και ανάπτυξης 3ο-τάξιων αλληλεπιδράσεων αυτή τη φορά σε πλωτή-“περικεκομμένη” πλάκα (κεφάλαιο 6), και (ii) τη μαθηματική διατύπωση και επίλυση της υδροελαστικής απόκρισης της πλάκας στις αναπτυσσόμενες από το υδροδυναμικό πρόβλημα δράσεις (κεφάλαιο 7). Οι εν λόγω υδροδυναμικές δράσεις, αν και δεν χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα μεγάλα μεγέθη, παρ’όλ’αυτά είναι έντονα μη γραμμικές και έχουν μεγάλη χρονική διάρκεια με αποτέλεσμα τη δημιουργία δυσμενών εντατικών συνθηκών στην προκειμένη, λεπτή κατασκευή.Τέλος, η Ενότητα ΙΙΙ είναι αφιερωμένη στην δυναμική εντατική κατάσταση θαλάσσιων σωληνώσεων μεταφοράς υδρογονανθράκων-Steel Catenary Risers (SCRs). Η εντατική κατάσταση του SCR προσδιορίζεται από την επίλυση του μη γραμμικού ή γραμμικοποιημένου συστήματος υδροελαστικών εξισώσεων δυναμικής ισορροπίας του υπό την δράση ακραίων (υψίσυχνων και μεγάλου πλάτους) περιοδικών μετατοπίσεων του κορυφαίου άκρου της σωλήνωσης, το οποίο αντιστοιχεί στο άκρο πρόσδεσης στην πλωτή κατασκευή. Οι εν λόγω διεγέρσεις αντιστοιχούν σε πιθανές ακραίες μετακινήσεις των πλωτών κατασκευών οι οποίες προκαλλούνται από το θαλάσσιο περιβάλλον. Αναλυτικότερα αναπτύσσονται τρία κεφάλαια, στα δύο πρώτα από τα οποία εξετάζεται η συνεισφορά στην αναπτυσσόμενη δυναμική εντατική κατάσταση του SCR, αντίστοιχα (i) της βίαιης δύναμης αντίδρασης του εδάφους του πυθμένα της θάλασσας στην περιοδική πρόσκρουση του SCR σε αυτό, η οποία προσδιορίζεται με γεωτεχνική υπολογιστική μέθοδο (κεφάλαιο 8) και (ii) της κίνησης του εσωτερικού ρευστού υδρογονάνθρακα όπως προσδιορίζεται με εφαρμογή τυρβώδους προσομοίωσης της ροής σε περιβάλλον Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής-CFD (κεφάλαιο 9). Στο τρίτο κεφάλαιο της Ενότητας ΙΙΙ (κεφάλαιο 10), που είναι και το τελευταίο της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μία συγκριτική μελέτη μεταξύ της μέχρι σήμερα εφαρμοζόμενης προσέγγισης της υδροελαστικής συμπεριφοράς του SCR, όπως είθισται να υλοποιείται με διακριτοποίηση με γραμμικά κατασκευαστικά στοιχεία (ράβδου-δοκού/pipe) και μίας νέας προσέγγισης, πλέον με διακριτοποίηση με Πεπερασμένα Στοιχεία κελύφους. Η χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων κελύφους στοχεύει στη βελτιωμένη απεικόνιση της κατανομής των τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διέγερση της σωλήνωσης στην πραγματική-κελυφωτή επιφάνειά της.