Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- ItemOpen AccessEarth-to-air heat exchangers : a sensitivity analysis of the system based on its configuration parameters(2023-10-18)The ongoing energy crisis and climate change have brought up the demand for alternative methods to meet energy needs in the building sector. The energy conscious design of buildings is more than ever popular and necessary in order to cope with energy and environmental emerging problems. It aims at the smooth operation of the buildings, by consuming the minimum possible power and offering a comfortable indoor climate to the occupants, using mainly passive methods. These lead to the need to use ground cooling methods, such as earth-to-air heat exchangers systems, an indirect form of ground cooling. They take advantage of the nearly constant annual ground temperature at a depth of up to four meters underground, to drop the temperature of the ambient air and regulate the indoor temperature through the piping system. It is considered an indirect method because the building is not in direct contact with the ground, but the piping arrangement buried in it exchanges heat through convection from its walls. A great number of studies described and modelled the thermal performance of of the system mainly based on heat transfer equations of conduction in soil and convection inside the tube. The majority of models include a parametric sensitivity analysis in order to assess the impact of the main design configuration parameters on system’s thermal efficiency. Scientific literature revealed that the most significant configuration parameters are: (a) pipe length, (b) pipe radius, (c) air velocity inside the tube, and (d) burial depth below ground surface. In this diploma thesis, extensive reference is made to these parameters and to the way they affect the system, but also to the categories of models that have been developed by the researchers, in order to predict the operation of earth-to-air heat exchangers. Moreover, in the following pages a model for the evaluation of the performance of an earth-to-air heat exchanger system under various circumstances is studied, especially in what way does the burial depth of the system affects the overall performance but also the pipe grant. The evaluation process is performed for three cities in Greece, Athens, Patras, and Heraklion, and results are obtained. Obtained results performed well with scientific principles. Finally, an estimation of the EAHE system contribution to the cooling load of a typical non-insulated building is presented based on a successfully validated theoretical approach Based on balance temperature and cooling degree hours theory.
- ItemOpen AccessΔιάγνωση βλαβών σε μοντέλο πλωτής ανεμογεννήτριας υπό μεταβαλλόμενη ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου μέσω μεθόδων μηχανικής μάθησης και μετρήσεων σημάτων ταλάντωσης(2023-07-10)Η διαρκής Παρακολούθηση της Δομικής Ακεραιότητας (Structural Health Monitoring - SHM) σε υπεράκτιες ανεμογεννήτριες (Offshore Wind Τurbins - OWTs), συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης και ταυτοποίησης πρώιμων βλαβών, είναι πολύ σημαντική καθώς συνδέεται άμεσα με την αδιάκοπη και επιτυχημένη λειτουργία τους. Τα σήματα ταλάντωσης μπορούν να συλλέγονται εύκολα και οικονομικά από μία OWT κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας της, παρέχοντας πλούσιες πληροφορίες για τη δυναμική της, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την παρακολούθηση της δομικής υγείας της. Ωστόσο, οι OWTs λειτουργούν υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες, κυρίως λόγω των αεροδυναμικών διεγέρσεων, οι οποίες επηρεάζουν τα σήματα ταλαντώσεων με παρόμοιο τρόπο με τις πιθανές βλάβες. Επομένως, είναι απαραίτητες εύρωστες μέθοδοι για την ανίχνευση και ταυτοποίηση βλαβών σε OWTs υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας, με στόχο την εξάλειψη ψευδών συναγερμών και διακοπών λειτουργίας των κατασκευών αυτών. Η παρούσα μελέτη εξετάζει την ανίχνευση και ταυτοποίηση πρώιμων βλαβών σε περιστρεφόμενη OWT κάτω από μεταβαλλόμενη ταχύτητα και κατεύθυνση του ανέμου. Χρησιμοποιούνται μέθοδοι μηχανικής μάθησης, μαζί με ένα μικρό αριθμό μετρήσεων από ταλαντωτικά σήματα για την εκπαίδευσή τους. Η ανίχνευση βλαβών επιτυγχάνεται μέσω δύο στατιστικών μεθόδων χρονοσειρών μηχανικής μάθησης, την U-MM-AR και U-MM-PCA-AR. Και οι δύο μέθοδοι ερμηνεύουν την υγιή δυναμική της OWT χρησιμοποιώντας τα διανύσματα των παραμέτρων πολλαπλών συμβατικών μοντέλων AR, με τη δεύτερη να χρησιμοποιεί έναν μειωμένο διάνυσμα παραμέτρων που προκύπτει από την ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA). Για την ταυτοποίηση βλαβών, εξετάζονται πέντε μέθοδοι μηχανικής μάθησης. Οι τρεις πρώτες βασίζονται στην ιδέα των πολλαπλών μοντέλων, με δύο από αυτές (MM-AR και MM-PCA-AR) να χρησιμοποιούν τυπικά μοντέλα AR, και η τρίτη από αυτές (MM-PSD) να χρησιμοποιεί την εκτίμηση της Πυκνότητας Φασματικής Ισχύος κατά Welch ως χαρακτηριστικό ευαίσθητο ως προς τον τύπο βλάβης. Οι δύο άλλες μέθοδοι, που βασίζονται στους αλγορίθμους k-NN και K-Means αντίστοιχα, βασίζονται επίσης σε τυπικά μοντέλα AR για την εξαγωγή του διανύσματος παραμέτρων το οποίο χρησιμοποιείται ως το χαρακτηριστικό διάνυσμα για την ταυτοποίηση των βλαβών. Τα σήματα ταλαντώσεων καταγράφονται χρησιμοποιώντας ένα μόνο επιταχυνσιόμετρο τοποθετημένο σε εργαστηριακό μοντέλο μικρής κλίμακας πλωτής υπεράκτιας ανεμογεννήτριας. Το μοντέλο λειτουργεί υπό τρεις διαφορετικές ταχύτητες ανέμου και τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις ανέμου, που παράγονται αποτελεσματικά από έναν τυπικό ανεμιστήρα. Η απόδοση των μεθόδων αξιολογείται συστηματικά βάσει εκατοντάδων πειραμάτων που πραγματοποιούνται στο υγιές μοντέλο OWT, καθώς και με τρία επίπεδα αποσύσφιξης στους κοχλίες στερέωσης του πύργου, δύο διαφορετικά επίπεδα ρωγμών στο πτερύγιο και δύο διαφορετικές προσθήκες μαζών στο πτερύγιο, προσομοιώνοντας πιθανή συσσώρευση πάγου. Τα αποτελέσματα ανίχνευσης βλαβών παρουσιάζονται μέσω καμπυλών ROC (Receiving Operator Characteristic), που δείχνουν την συνολική ανωτερότητα της μεθόδου U-MM-AR για όλα τα εξεταζόμενα σενάρια βλάβης η οποία επιτυγχάνει 100% σωστής ανίχνευσης για 2.2% ψευδών συναγερμών. Η αξιολόγηση κάθε μεθόδου στην ταυτοποίηση βλάβης γίνεται με χρήση πινάκων σύγχυσης (confusion matrices), και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέθοδος MM-PSD επιτυγχάνει το υψηλότερο ποσοστό σωστής ταυτοποίησης.
- ItemOpen AccessΑνίχνευση βλαβών σε θερμοπλαστική δοκό με μη γραμμική συμπεριφορά υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου(2023-07-10)Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματοποιείται Παρακολούθηση της Δομικής Ακεραιότητας (Structural Health Monitoring, SHM) σε θερμοπλαστική δοκό που αποτελείται από τη συγκόλληση τεσσάρων πανομοιότυπων δοκών Lexan με εγγενώς μη γραμμική συμπεριφορά και με λειτουργικές αβεβαιότητες υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου, μέσω στοχαστικών στατιστικών μεθόδων χρονοσειρών. Οι λειτουργικές αυτές αβεβαιότητες, λόγω της μεταβαλλόμενης απόστασης του μαγνήτη από τη δοκό, επηρεάζουν την απόκριση της δοκού με παρόμοιο τρόπο όπως οι βλάβες. Επομένως, είναι απαραίτητες εύρωστες μέθοδοι ανίχνευσης βλαβών για την εξάλειψη ψευδών συναγερμών. Τα σήματα ταλάντωσης που εξετάζονται προέρχονται από στοχαστική διέγερση τύπου λευκού θορύβου και η δυναμική αναγνώριση του συστήματος γίνεται με παραμετρικά, στοχαστικά, μη γραμμικά μοντέλα Nonlinear Auto Regressive with eXogenous input (NARX), ενώ επιπρόσθετα πραγματοποιείται και σύγκριση με γραμμικά μοντέλα AutoRegressive with eXogenous input (ARX). Για την ανίχνευση βλαβών χρησιμοποιούνται μέθοδοι μηχανικής μάθησης, που βασίζονται σε στατιστικές μεθόδους χρονοσειρών ταλαντώσεων, οι οποίες ανήκουν στην ευρύτερη οικογένεια μεθόδων που χρησιμοποιούν Πολλαπλά Μοντέλα (Multiple Models, MM) για την αναπαράσταση της υγιούς δυναμικής της μελετώμενης κατασκευής. Έτσι, η ανίχνευση βλάβης επιδιώκεται με MM NARX ενώ γίνεται και σύγκριση με μοντέλα MM-ARX. Για τη διέγερση της κατασκευής χρησιμοποιείται ηλεκτροδυναμικός διεγέρτης υπό τρία διαφορετικά πλάτη τάσης, χαμηλό, μεσαίο και υψηλό, και τα ταλαντωτικά σήματα που μελετώνται καταγράφονται από επιταχυνσιόμετρο που είναι στο ελεύθερο άκρο της δοκού. Η απόδοση των μεθόδων αξιολογείται συστηματικά βάσει δεκάδων χιλιάδων περιπτώσεων που εξετάστηκαν στη Φάση Ελέγχου, αφού έχουν εκπαιδευτεί οι μέθοδοι (Φάση Εκπαίδευσης), τόσο για την υγιή όσο και για τις δύο υπό βλάβη καταστάσεις. Οι δύο αυτές βλάβες, διαχωρίζονται σε βλάβη Τύπου 1 που αφορά μία τεχνητή ρωγμή σε μία δοκό Lexan εκ των τεσσάρων και σε βλάβη Τύπου 2 που αποτελείται από δύο τεχνητές ρωγμές σε δύο δοκούς Lexan εκ των τεσσάρων που απαρτίζουν τη συνολική δοκό. Τα αποτελέσματα ανίχνευσης βλαβών παρουσιάζονται μέσω διαγραμμάτων τύπου διασποράς (scatter) και καμπυλών ROC (Receiver Operating Characteristic) δείχνοντας και τις δύο εφαρμοζόμενες μεθόδους MM-ARX και MM-NARX να δουλεύουν από πολύ καλά ως άριστα, με την πρώτη να επιτυγχάνει άριστα αποτελέσματα, καθώς η μη γραμμικότητα της δοκού κρίνεται ασθενής σύμφωνα με κατάλληλα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν, ενώ η δεύτερη επιτυγχάνει περίπου όμοια απόδοση με σημαντικά μικρότερη δομή μοντέλου.
- ItemOpen AccessΑνάπτυξη και κατασκευή αρπάγης για συγκράτηση μη επανδρωμένου αεροσκάφους από κυλινδρικές επιφάνειες(2023-07-12)Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής μιας αρπάγης που έχει αναπτυχθεί ειδικά για τη συγκράτηση ενός μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (UAV). Τα πρώτα κεφάλαια, που αναλύονται στο [1], επικεντρώνονται στην ανάπτυξη του μηχανισμού, ξεκινώντας από τον θεμελιώδη σχεδιασμό για τον καθορισμό των ζητούμενων και περιορισμών του προβλήματος και την κατάληξη σε μια διαμόρφωση. Ακολουθεί λεπτομερής ανάλυση του τελικού μηχανισμού, ο οποίος ενσωματώνει εύκαμπτα υλικά στα άκρα του με άκαμπτα στοιχεία, τα οποία λειτουργούν ως εξωσκελετός, παρέχοντας στήριξη και ενίσχυση. Επιπλέον η λειτουργία του είναι παθητική, συντελώντας στις χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις της αρπάγης. Πραγματοποιήθηκαν εν συνεχεία προσομοιώσεις για την αξιολόγηση της αντοχής του μηχανισμού υπό αναμενόμενα φορτία, βάση των οποίων πραγματοποιήθηκε ο απαιτούμενος ανασχεδιασμός των εξαρτημάτων. Ωστόσο, λόγω της αδυναμίας ακριβούς αναπαράστασης μαλακών υλικών σε προσομοιώσεις, ένα πρωτότυπο ήταν απαραίτητο για τον έλεγχο τη συμπεριφοράς του τελικού μηχανισμού. Η διαδικασία κατασκευής βασίστηκε στην τρισδιάστατη εκτύπωση, που συντέλεσε σε μια αρπάγη λειτουργική, με απλή, ταχεία και οικονομική μέθοδο κατασκευής. Έπειτα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές για την αξιολόγηση της απόδοσης της αρπάγης σε πειράματα συγκράτησης από κυλινδρικά αντικείμενα και ανύψωσης αυτών. Έγιναν επίσης δοκιμές σε αντικείμενα διαφορετικής σύνθεσης, διαστάσεων και γεωμετριών. Η αρπάγη, έδειξε εντυπωσιακή απόδοση σε αυτά τα πειράματα. Παρουσιάζονται ακόμη προτάσεις για τη βελτίωση της λειτουργικότητας και της συνολικής απόδοσής της.
- ItemOpen AccessTraining and validation of deep learning models with generated synthetic datasets for object detection applications in manufacturing(2023-07-07)Object Detection is an essential computer vision task for the industry, as it can be used for counting and inspecting products in production lines. Collecting high-quality datasets for the training of object models is expensive and time-intensive, but when applying object detection to the context of production lines, CAD models of the objects to be detected are often available. Creating a Blender script that can generate photo-realistic images, including bounding box annotations of the object of interest is an alternative option. This Diploma thesis presents an approach of using the CAD model to render synthetic images for training Deep Learning models on object detection. Various experiments are conducted to figure out the ideal parameters for rendering and training, using the suggested metrics for object detection tasks. The experiments demonstrate that the concept of training models solely on synthetic data is promising since the approach is evaluated on real images. Our method is adaptable, which is a huge advantage for object detection in the dynamic environment of the industry. It can lead to considerable cost savings and increased productivity.