Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- ItemOpen AccessGraph-based knowledge representation and extraction from unstructured textual data using machine learning algorithms(2023-07-21)In this dissertation, we build upon existing graph-based text representation models and introduce a novel one to represent multiple textual documents as a single graph, namely, the graph-of-docs text representation. As opposed to existing graph-based text representations, graph-of-docs enables the investigation of the importance of a term into a whole corpus of documents, masks the overall complexity by reducing each graph of words to a ‘document’ node, and supports the inclusion of relationship edges between documents. Hence, it enables the calculation of important metrics with respect to multiple documents and allows heterogeneous data to co-exist in a single graph. Along with the introduction of the graph-of-docs model, this dissertation proposes and empirically evaluates the combination of word embeddings, graph-based text representations and graph neural networks to advance classical machine learning tasks, including text classification, regression, feature engineering and feature selection. We conduct several experiments on diverse datasets from different domains, settings and applications, aiming to evaluate the proposed approach. Among others, these datasets are related to (i) personnel selection, (ii) the identification of software bugs, (iii) the prediction of future research collaborations, (iv) the price prediction for Airbnb listings. The evaluation results demonstrate a significant improvement in terms of accuracy, precision and recall of the proposed models compared to various classical and graph-based counterparts.
- ItemOpen AccessΕπιχειρησιακή συνέχεια λειτουργιών και ανθεκτικότητα εγκαταστάσεων απέναντι στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής : η περίπτωση των Ελληνικών Πετρελαίων(2023-09-19)Οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής αναμένεται να γίνουν ισχυρότερες στο μέλλον, οδηγώντας σε υψηλότερο κόστος και πιο σοβαρά ατυχήματα στις εγκαταστάσεις της βιομηχανίας πετρελαίου και στις γύρω κοινότητες. Ως μέρος των υποδομών ζωτικής σημασίας, η βιομηχανία πετρελαίου παρέχει στις κοινότητες και στην ευρύτερη οικονομία απαραίτητα αγαθά και σημαντικές υπηρεσίες εδώ και πολύ καιρό. Τα διυλιστήρια πετρελαίου, ως μέρος της ευρύτερης αλυσίδας αξίας της βιομηχανίας πετρελαίου, συγκαταλέγονται στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις που είναι ευάλωτες σε ακραία κλιματικά φαινόμενα, των οποίων η συχνότητα και η ένταση αυξάνονται τις τελευταίες δεκαετίες δημιουργώντας σοβαρές επιπτώσεις στη δομική ακεραιότητα των περιουσιακών στοιχείων, στη λειτουργικότητα των υπηρεσιών, στην επιχειρησιακή συνέχεια των οργανισμών, επηρεάζοντας μέχρι και την υγεία και ασφάλεια εργαζομένων, με τα ατυχήματα τύπου Natural Hazards Triggering Technological Accidents - Natech να είναι τα πιο χαρακτηριστικά και επικίνδυνα. Μια πρώτη ανασκόπηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στη βιομηχανία πετρελαίου έδειξε ότι η άνοδος της στάθμης της θάλασσας, οι ακραίες θερμοκρασίες, τα ακραία υδρομετεωρολογικά φαινόμενα, οι άνευ προηγουμένου ακραίες καιρικές καταστροφές και οι ολοένα και πιο ασταθείς περιβαλλοντικές συνθήκες προξενούν ήδη επιχειρησιακές δυσλειτουργίες, καθιστώντας τα μέτρα προσαρμογής, τη διαχείριση των κινδύνων, τη διασφάλιση της επιχειρησιακής συνέχειας των οργανισμών, καθώς και την ενίσχυση της ανθεκτικότητας απέναντι στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής κρίσιμης σημασίας. Επιπλέον η ανασκόπηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, των διασυνδέσεων και αλληλεξαρτήσεων, καθώς και των υφιστάμενων πλαισίων αξιολόγησης του κινδύνου για την κλιματική αλλαγή, αλλά και των υφιστάμενων πρακτικών για την αξιολόγηση της ανθεκτικότητας, εντόπισε κενά στην τρέχουσα γνώση, καθιστώντας την ανάγκη διαχείρισης του κλιματικού κινδύνου και την ανάπτυξη σχεδίων προσαρμογής που θα μετριάσουν και θα διαχειριστούν τους κινδύνους που αξιολογούνται ως επικίνδυνοι για τις επιχειρηματικές δραστηριότητες και εγκαταστάσεις, ως απαραίτητες. Στο πλαίσιο αυτό κρίθηκε απαραίτητο να προταθεί/εφαρμοστεί μια συγκροτημένη διαδικασία οργάνωσης και ταξινόμησης των επιμέρους κρίσιμων διαδικασιών-διεργασιών και των περιουσιακών στοιχείων της πετρελαιοβιομηχανίας, βασισμένη σε διεθνείς βέλτιστες πρακτικές, εφαρμόζοντάς την σε ένα διυλιστήριο πετρελαίου στην Ελλάδα. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η ανάλυση της τρωτότητας των πιο κρίσιμων περιουσιακών στοιχείων και υπηρεσιών του τομέα της πετρελαιοβιομηχανίας στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Πραγματοποιήθηκε επίσης η κλιματική ανάλυση, βασιζόμενη στη χρήση του κλιματικού μοντέλου υψηλής ανάλυσης Advanced Weather Research and Forecasting (WRF-ARW - Μοντέλο Μετεωρολογικής Έρευνας και Πρόβλεψης) σε κλίμακα 5 × 5 km2, αφού εφαρμόστηκε πρώτα μια διαδικασία επαλήθευσής του με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα του γειτονικού σταθμού της Ε.Μ.Υ. για την αντίστοιχη ιστορική περίοδο (1980-2004). Στο πλαίσιο της κλιματικής ανάλυσης αναπτύχθηκαν υπολογιστικά οι μελλοντικές προβολές των κλιματικών συνθηκών για την περιοχή της Δυτικής Αττικής, όπου βρίσκονται και οι εγκαταστάσεις (διυλιστήρια) των Ελληνικών Πετρελαίων. Για τις συγκεκριμένες κλιματικές παραμέτρους που μελετήθηκαν, υπολογίστηκαν οι περίοδοι επαναφοράς, η συχνότητα επανεμφάνισής τους καθώς και τα ακραία χαρακτηριστικά (extremes) με σκοπό τον υπολογισμό της πιθανοφάνειας (likelihood). Παράλληλα αξιολογήθηκαν και οι επιπτώσεις των ακραίων γεγονότων, ύστερα από διαδοχικές συναντήσεις, συνεντεύξεις και συζητήσεις με το τεχνικό προσωπικό και αρμόδιους υπεύθυνους σε θέματα στρατηγικής και σχεδιασμού σε εταιρικό επίπεδο του εν λόγω οργανισμού. Εφαρμόστηκε συγκεκριμένη μεθοδολογική προσέγγιση για την αξιολόγηση των κλιματικών κινδύνων και των επιπτώσεών τους με ποσοτικό τρόπο, εντοπίστηκαν οι μεγαλύτεροι κίνδυνο, η πιθανότητα εμφάνισής τους και ο συνολικός αντίκτυπος. Συγχρόνως προτάθηκε η ανάγκη για ενσωμάτωση του κλιματικού κινδύνου στα υπάρχοντα εργαλεία εκτίμησης κινδύνων που χρησιμοποιούν οργανισμοί και υποδομές, με σκοπό να αναγνωρίζονται, να προβλέπονται και να διαχειρίζονται με αποτελεσματικό τρόπο οι κλιματικοί κίνδυνοι. Στη συνέχεια διαμορφώθηκε μια γενική μεθοδολογία αξιολόγησης της οργανωσιακής ανθεκτικότητας των κρίσιμων υποδομών και των οργανισμών, μέσα από την ανάλυση της επιχειρησιακής του συνέχειας στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής με χρήση του Μοντέλου του Βιώσιμου Συστήματος. Η εν λόγω μεθοδολογία πρότεινε τον σχεδιασμό διεύθυνσης ή συστήματος -εντός-οργανισμού παροχής κλιματικής ανθεκτικότητας (CRPO- ΟΠΚΑ), ο οποίος θα είναι υπεύθυνος για την αδιάλειπτη, χωρίς διακύμανση «παροχή» ανθεκτικότητας στην κλιματική αλλαγή, χρησιμοποιώντας διαφορετικές μορφές πληροφοριών, αυξάνοντας το εύρος αντιμετώπισης και την αποτελεσματικότητα απόκρισης του συνολικού οργανισμού. Αποτέλεσμα της εν λόγω ανάλυσης είναι η αύξηση του εύρους αντιμετώπισης και η αποτελεσματικότητα απόκρισης του συνολικού οργανισμού, με σκοπό να καταλήξει ο οργανισμός σε μια οργανωτική δομή που παρέχει ανθεκτικότητα στα περιουσιακά στοιχεία, στις παρεχόμενες υπηρεσίες και στο ανθρώπινο δυναμικό. Συνολικά η συγκεκριμένη εργασία καταπιάστηκε με αρκετές πλευρές της οργανωσιακής ανθεκτικότητας προτείνοντας ένα πλαίσιο με έμφαση (α) στην ενίσχυση της οργανωσιακής ανθεκτικότητας μέσω του Μοντέλου βιώσιμης ανάπτυξης - Viable system model (MBA-VSM), (β) στην αξιολόγηση της επικινδυνότητας, (γ) στη διατήρηση της επιχειρησιακής της συνέχειας, (δ) στην προστασία της δομικής ακεραιότητας υποδομών και περιουσιακών στοιχείων, (ε) στην προστασία της υγιεινής και της ασφάλειας των εργαζομένων, καθώς και (στ) στην παρουσίαση συγκεκριμένων παρεμβάσεων στο πλαίσιο της προσαρμογής της απέναντι στην κλιματική αλλαγή. Είναι η πρώτη φορά που πραγματοποιείται τέτοιου είδους συστηματική διερεύνηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής σε ελληνική ΚΥ, αλλά και στην ελληνική πετρελαιοβιομηχανία και αποτελεί το πρώτο βήμα για τον προσδιορισμό της ανθεκτικότητας των εγκαταστάσεων παρόμοιων κρίσιμων υποδομών/ οργανισμών.
- ItemOpen AccessΥπολογιστική διερεύνηση της ροϊκής συμπεριφοράς αγωγών με καινοτόμο εσωτερική διαμόρφωση για μεγιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας(2023-09-25)Το αντικείμενο αυτής της Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) άπτεται ενός πεδίου της τεχνολογίας που ερευνητικά πρόκειται να κυριαρχήσει στα χρόνια που έρχονται. Συγκεκριμένα, οι φωνές που καλούν σε υιοθέτηση τεχνολογιών που να σέβονται τους διαθέσιμους πόρους του πλανήτη μας και να προστατεύουν το περιβάλλον ακούγονται ολοένα και πιο επιτακτικά και έντονα. Σημαντικό τμήμα των προαναφερθεισών τεχνολογιών αναπτύσσεται στο ειδικότερο πεδίο της Μεταφοράς Θερμότητας μέσω Εξαναγκασμένης Συναγωγής (ΜΘΕΣ) στο εσωτερικό αγωγών. Εξυπηρετώντας το σκοπό αυτό, στη ΔΔ προτείνονται σχεδιαστικές λύσεις για το εσωτερικό αγωγών που αποσκοπούν στην αξιοσημείωτη αύξηση της ικανότητας ΜΘΕΣ. Οι σχεδιαστικές προτάσεις που θα παρουσιαστούν αναλύονται και αξιολογούνται μέσω υπολογιστικών μοντέλων. Ο σχεδιασμός του κάθε μοντέλου έχει προσεκτικά επιλεγεί ώστε, αφενός μεν να συνδυάσει τις καθιερωμένες τεχνικές στον τομέα της ΜΘΕΣ σε αγωγούς, αφετέρου δε να προτείνει καινοτόμες λύσεις που θα τις ξεπεράσουν σε απόδοση και αποτελεσματικότητα. Τα μοντέλα έχουν σχεδιαστεί σε 3D, στο πρόγραμμα CATIA και έχουν προσομοιωθεί με τη βοήθεια του εγνωσμένης αξιοπιστίας πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) ANSYS-Fluent. Ως λειτουργούν ρευστό έχει επιλεγεί ο αέρας, ενώ η ροή εντός των αγωγών έχει επιλεγεί να είναι aποκλειστικά τυρβώδης. Η λειτουργία του κάθε μοντέλου εξετάζεται και αξιολογείται από πολλές πλευρές. Πέραν της εξέτασης και ανάλυσης των ροϊκών και θερμικών πεδίων, εφαρμόζονται δείκτες και τεχνικές αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας του εφαρμοσθέντος σχεδιασμού. Ορισμένοι από τους δείκτες αυτούς έχουν καθιερωθεί στη διεθνή βιβλιογραφία εδώ και αρκετά χρόνια, ενώ καινούργιοι δείκτες παρουσιάζονται για πρώτη φορά, με στόχο να καλύψουν κενά και να ρίξουν φως σε λιγότερο αναδειχθείσες παραμέτρους της ρευστο-θερμικής συμπεριφοράς στο εσωτερικό αγωγών που μεταφέρουν θερμότητα στα ρευστά που τους διαρρέουν. Τα αποτελέσματα που θα παρουσιαστούν δικαιολογούν απολύτως την προσπάθεια που κατεβλήθη καθώς και τις επιλογές που έγιναν κατά το σχεδιασμό. Σε σύγκριση με την έως τώρα δημοσιευθείσα διεθνώς βιβλιογραφία, τα τελικά σχέδια που θα εκτεθούν επιτυγχάνουν τη μεγαλύτερη, έως τώρα, επιτευχθείσα αύξηση στην ικανότητα ΜΘΕΣ. Το γεγονός αυτό καθιστά τα συγκεκριμένα σχέδια μια εξαιρετικά σημαντική συνεισφορά στον τομέα της θερμικής μηχανικής προς την διασφάλιση ενός πιο βιώσιμου μέλλοντος.
- ItemOpen AccessTribological design of tilting pad thrust bearings in various lubrication regimes with the application of numerical and machine learning techniques(2023-07-26)Hydrodynamic Tilting Pad Thrust Bearings are machine elements that were designed in order to support the thrust load of rotating machinery. These bearings constitute of sectors, also called pads, which are able to rotate freely around a pivot. During operation a fluid film is dragged inside the mechanism due to the relevant motion of the rotor to the stationary pad. At the same time the tilt of the pad to the rotor’s surface leads to the development of a pressure distribution that makes it possible for the bearing to withhold the axial load of the machine. Normally, during operation the two friction surfaces are separated from the lubricant film. However, there are conditions under which the thrust bearing may be designed or forced to operate under incomplete or mixed lubrication. The phenomena that are developed during these states can have severe impact in the performance of the bearing and lead to accelerating deterioration or even failure. In our days, thrust bearings have been used in a wide range of applications from large industrial turbines or compressors, to ship propellers, car engine turbines and water pumps. These bearings must be designed to be compact in size, yet efficient in maximum load carrying capacity with minimum energy losses, in order to meet the challenging demands of modern industry and world economy. Thus, many investigators have studied and proposed improvements on a variety of the thrust bearing’s configurations. These improvements include different surface profiles, texturing, tailor made lubricants as well as coatings. Nevertheless, especially in the areas of incomplete and mixed lubrication there are many opportunities for improvements, making such investigations crucial for modern hydrodynamic thrust bearing designs. The hydrodynamic lubrication of thrust bearings is governed by the Navier-Stokes equations of mass and momentum continuity. A simplification of these equations is the Reynolds equation that is most commonly applied during the investigations. The Reynolds equation is a differential equation that can be solved analytically (when many constrains and simplifications are applied for a specific problem) or numerically. The most common methods applied for the numerical solution of the Reynolds equation include the finite difference, the finite volume and the finite elements. Even though the Reynolds equation has been widely applied in order to calculate the tribological characteristics of thrust bearings, its application is limited to the hydrodynamic lubrication regime. When the thrust bearing operates in mixed lubrication regime the Reynolds equation must be improved in order to include the effect of the asperities of the two friction surfaces on the flow of the lubricant inside the mechanism. As a result a more detailed model such as the one proposed by Patir and Cheng must be applied in the numerical calculations in order to properly approach the hydrodynamic forces developed inside the bearing during operation. To add to that, the contact forces that are developed due to direct asperity interaction have a significant impact on the bearing’s performance and must be taken into consideration. To do so, stochastic models have been developed and widely used from investigators initially from Greenwood and Williamson and later from Greenwood and Tripp in order to calculate the boundary forces in the asperity contact regions. The combination of such models can lead to detailed and robust numerical algorithms that are able to calculate the tribological characteristics of a hydrodynamic thrust bearing in great detail and accuracy. The last decade the 4th Industrial Revolution has introduced many groundbreaking innovations that were initially applied in the field of computer science but have gradually expanded in every aspect of engineering, including Mechanical Engineering. Internet of Things (IoT), Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) applications have started to become more and more popular within the scientific community, since their limitless potentials have brought new ways to approach engineering investigations. In Tribology, the application of such methods is yet raw. However, the combination of robust numerical algorithms with Machine Learning techniques will bring a new era in the field and is assumed to be the most important contribution and innovation of the current Doctoral Thesis. In summary, for the current investigation the 2D Reynolds equation is solved numerically using the finite difference method in order to calculate the tribological characteristics of a tilting pad thrust bearing. The study focuses on the hydrodynamic lubrication, the incomplete oil film lubrication as well as the mixed lubrication regime. In order to improve the results of the original algorithm for the investigation in the mixed lubrication regime the Average Reynolds equation from the model of Patir and Cheng is applied. To add to that, the stochastic model of Greenwood and Tripp is used in order to calculate the boundary loads developed inside the mechanism due to direct asperity contact. In order to avoid the computational cost of an extra algorithm that would solve the energy equation, the concept of ‘Effective Temperature’ is applied and combined with the Sutherland law in order to calculate the viscosity of the lubricant. Moreover, the balance of the pad is determined by applying an iterative algorithm based on the Newton-Raphson methodology. During the investigation different lubricants as well as coatings are examined and compared in terms of optimum bearing’s performance. In addition, a Multi-Variable, Quadratic, Polynomial Regression Machine Learning algorithm is developed and trained with the data gathered from the numerical simulations. Finally, Quadratic Support Vector Machines models as well as a Regression Tree models are developed with the same datasets in order to be compared with the originally developed ML algorithm in terms of better fitting to the numerical data and the ability to predict the performance of the thrust bearing in various operating conditions and configurations. All in all, the current Doctoral Thesis focuses on the combination of numerical and machine learning techniques in order to predict performance and design characteristics of a tilting pad thrust bearing in various lubrication regimes. At the moment, no similar work can be found in literature, constituting the current Thesis as innovative and with a significant contribution to the field.
- ItemOpen AccessComputational aeroelasticity using efficient high-fidelity formulations(2023-07-18)The development of more flexible wing structures, enabled by the progress in lightweight materials, aiming to further improvements in the overall fuel efficiency and operational quality of aircraft has raised significant challenges in the field of aeroelasticity, during the last decade. The simplified aeroelastic models using spring-damper approximations, although extremely useful in understanding the parameters influencing the behaviour of even complex structures, can lead to significant errors when applied to the continuously advancing aerostructural systems. Due to the inherent complexity of most modern aeronautical structures, the only feasible way to achieve aeroelastic solutions of sufficient detail for design and optimization purposes is by means of computational aeroelasticity. The development of efficient coupling methods between structural and aerodynamic solvers has yielded new opportunities in studying aeroelastic phenomena. Coupling between Computational Structural Dynamics (CSD) and simplified Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, such as the various formulations of panel methods (Vortex-Lattice, Doublet- Lattice) have attracted increased attention in the aerospace research community; typical cases of their application include safeguarding against catastrophic aeroelastic phenomena and enabling aeroelastic and aerodynamic performance improvement, by considering the influence of structural flexibility to the aerodynamic response during the wing design optimization phase. The need of capturing the influence of the deformable structure on the aerodynamic performance and the susceptibility to dangerous aeroelastic conditions is expected to become more significant in the future, due to the tendency of designing complex and flexible wing structures, in order to increase their aerodynamic efficiency. The application of simplified linearized aerodynamics, although proven to be reliable and rich in information away from regions with non-linear flow effects (transonic region, shockwave-boundary layer interaction), has inherent limitations arising from the formulation of the aerodynamic problem. The validity of such methods, as already stated, is limited near the transonic region due to the linearized formulation. Other issues that limit the usage of conventional aeroelastic analysis in aerodynamic optimization of the deformable structure include the inability to capture the surrounding flowfield and the lower fidelity of the results, as well as the difficulties in modeling geometries departing from a typical aerodynamic shape, such as wings with slots and discontinuities in their surface, high lift devices, or morphing devices. On the other hand, the continuous maturation of structural dynamics methods provides the opportunity of exploiting the latest advances in the field of application time- efficient high-idelity solutions that significantly advance the complex aeroelastic response prediction capabilities. Compounded with the fact that most modern airliners operate near the transonic region, a recent trend and active topic of research in the field of aeroelasticity is to set up and evaluate coupling procedures encompassing state of the art high fidelity aerodynamics. Using state of the art aerodynamics in aeroelastic analysis is bundled with several challenges. The computational time required for a single solution can be prohibitively high, due to the high computational cost of the corresponding numerical approaches. Perhaps an even more critical issue to address is the difficulty grasping the physical meaning of the presented results. The high volume of output data comprising million degrees of freedom values, hinders the gaining of valuable insight into the main physical mechanisms that dominate the aeroelastic response rendering its usage in a design optimization framework problematic. Efficient structural and aeroelastic optimization requires the understanding of the main parameters influencing the response of a system, something that is clearly not easily achievable in practice with such a full solution. In order to realize the benefits from the high fidelity introduced in the aeroelastic analysis, appropriate methodologies must be developed, which reduce the computational time per solution iteration and transform the results in information rich representations, e.g. by considering only a small number of characteristic degrees of freedom of the entire complex system. Order reduction methods by means of Reduced Order Models (ROMs), which are constructed from full solutions by a set of training data, are promising in addressing the previously mentioned weaknesses. Order reduction leads on the one hand to lower computational effort and on the other makes it easier to grasp the most dominant physics behind the system’s response. The construction and application of aeroelastic ROMs presents an important challenge to tap into the potential of high-fidelity aeroelastic analysis. In this frame, the main objective of the present thesis is to explore Order Reduction to improve the computational efficiency of performing high-fidelity aeroelastic computations. A novel method to set up Aeroelastic Reduced Order Models (ROMs) based upon Volterra series approximations has been developed; the application procedure of this method is designed to avoid the requirement of specialized tools or commands offered by any specific computational analysis framework, instead relying on common comma separated values of nodal displacements and forces as training data. Commands to provide comma separated output are contained in virtually every computational analysis software and thus, the procedure can be easily expanded to a wide variety of solvers. To prove the soundness and correct behaviour of the developed ROMs, a validation study against full order staggered coupled solutions that are provided by coupling Computational Fluid Dynamics (CFD) and Structural Dynamics (CSD) is performed. Further investigation on the theoretical background of coupling CSD and CFD codes can additionally serve as a basis for future development of in-house coupling tools. The developed ROMs greatly improved thecomputational efficiency and were successfully applied in several case studies of remarkedly different properties and characteristics. However, ROMs were also found to be sensitive to the quality of the input data and prior in-depth experience in CFD and CSD is required, as well as familiarization of the user with basic principles of signal analysis is deemed necessary for their successful application. Despite the present thesis development, a fully automated procedure to perform ROM based aeroelastic analyses remains a topic for future research.