Υδροελαστική ανάλυση και βελτιστοποίηση εύκαμπτων πλωτών κατασκευών για προστασία και παραγωγή κυματικής ενέργειας

Abstract

In the present dissertation a multi objective optimization mathematical model of a Floating Flexible Structure (FFS) subjected both to regular and irregular incident waves is developed and presented. FFS is considered as an effective system for both wave energy production with the utilization of a linear hydraulic Power Take-Off (PTO) mechanism and also for protection. The performance criteria considered for the optimum design of the FFS are the produced power, the protection effectiveness of the area behind the FFS, and the structural integrity of structural parts that compose the FFS and more specifically of the connectors of the modules of the FFS. Both the mathematical formulation and the numerical modeling of the physical problem, which address to the optimization of the performance of the FFS, represent the objective of the present thesis. In particular, this research effort includes: (a) the development of an accurate and appropriate analysis for the assessment of the behavior of the FFS, (b) the development of a numerical analysis for the calculation of the forces associated with the PTO and, also, for the estimation of the generated power and (c) the development of a mathematical approach, based on genetic algorithms and global criterion method, in order to properly address FFS’s design variables towards a most preferable (optimum) design. With regard to the development of the accurate and appropriate analysis for the assessment of the behavior of the FFS, a linear “wet” hydroelastic analysis is developed and performed in order to investigate numerically the hydroelastic performance of a free, mat-shaped FFS that consists of a grid of flexible floating modules connected flexibly in both the longitudinal and the transverse direction. The investigation is conducted in the frequency domain under the action of normal and oblique incident waves. A framework for the implementation of the “wet” hydroelastic analysis is developed and applied. This framework is based on the mode superposition method and it enables the incorporation of the “wet” mode shapes in the hydroelastic analysis. In this way, the coupling between the various “dry” mode shapes of the floating structure is taken into account. The proposed framework includes three components: (a) a 3D structural model for an initial “dry” eigenvalue analysis, (b) a 3D hydrodynamic model for the frequency domain hydroelastic analysis and (c) an iterative procedure for a “wet” eigenvalue analysis.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναπτύσσεται και παρουσιάζεται αριθμητική μοντελοποίηση για την πολυ-κριτηριακή βελτιστοποίηση μίας Εύκαμπτης Πλωτής Κατασκευής (ΕΠΚ) που υπόκειται σε μονοχρωματικούς ή τυχαίους κυματισμούς. Η ΕΠΚ θεωρείται ως μία αποτελεσματική κατασκευή για: (α) την παραγωγή κυματικής ενέργειας με την χρησιμοποίηση Διάταξης Παραγωγής Ενέργειας (ΔΠΕ) και (β) την προστασία από τους κυματισμούς και τον ελλιμενισμό. Τα κριτήρια επιτελεστικότητας (performance) που λαμβάνονται για την εύρεση της βέλτιστης λύσης σχεδιασμού της ΕΠΚ είναι η παραγόμενη ενέργεια, η παρεχόμενη προστασία (αποτελεσματικότητα) που η ΕΠΚ έχει σε μία συγκεκριμένη περιοχή πίσω από την ΕΠΚ και η δομική ακεραιότητα της ΕΠΚ που εκφράζεται μέσω της δομικής ακεραιότητας μερών που απαρτίζουν την ΕΠΚ και πιο συγκεκριμένα των συνδέσμων των πλωτήρων της. Οι αντικειμενικοί σκοποί της παρούσας διατριβής είναι: η μαθηματική διατύπωση καθώς και η αριθμητική μοντελοποίηση του φυσικού προβλήματος, το οποίο θα μας οδηγήσει στην βέλτιστη λύση σχεδιασμού της ΕΠΚ. Συγκεκριμένα η Διατριβή περιλαμβάνει: (α) την ανάπτυξη μίας ολοκληρωμένης και κατάλληλης ανάλυσης για την αποτίμηση της συμπεριφοράς (απόκρισης) της ΕΠΚ, (β) την ανάπτυξη μίας αριθμητικής ανάλυσης για τον υπολογισμό των δυνάμεων που έχουν σχέση με την ΔΠΕ καθώς και επίσης για τον υπολογισμό της παραγόμενης ενέργειας και (γ) την ανάπτυξη μίας μαθηματικής προσέγγισης βελτιστοποίησης, η οποία βασίζεται στους γενετικούς αλγόριθμους και στην Μέθοδο του Καθολικού Κριτηρίου (ΜΚΚ) με στόχο την κατάλληλη οριοθέτηση των σχεδιαστικών μεταβλητών της ΕΠΚ έναντι του βέλτιστου σχεδιασμού της. Η έρευνα πραγματοποιείται στο πεδίο των συχνοτήτων υπό την επίδραση κάθετων και πλάγιων κυματισμών. Μία συγκεκριμένη μεθοδολογία για την πραγματοποίηση της εν ύδατι υδροελαστικής ανάλυσης αναπτύσσεται και εφαρμόζεται. Το πλαίσιο διεργασιών της βασίζεται στην μέθοδο επαλληλίας των ιδιομορφών και επιτρέπει την ενσωμάτωση των εν ύδατι ιδιομορφών ταλάντωσης της ΕΠΚ στην υδροελαστική ανάλυση. Με αυτόν τον τρόπο, η σύζευξη μεταξύ των διαφόρων εν ξηρώ ιδιομορφών της πλωτής κατασκευής λαμβάνεται υπόψη κατά την ανάλυση. Το προτεινόμενο πλαίσιο διεργασιών περιλαμβάνει τρεις συνιστώσες: (α) ένα 3-Δ κατασκευαστικό μοντέλο για την αρχική εν ξηρώ ιδιομορφική ανάλυση, (β) ένα 3-Δ υδροδυναμικό μοντέλο για την υδροελαστική ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων και (γ) μία επαναληπτική διεργασία για την υλοποίηση εν ύδατι ιδιομορφικής ανάλυσης.