Μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση την δεκαετία του ’70 κατά την οποία τα περιορισμένα αποθέματα ενέργειας προκάλεσαν την πρώτη σημαντική αύξηση στην τιμή της ενέργειας, η χρήση ενέργειας στα θερμοκήπια έχει γίνει κύριο ερευνητικό ζήτημα. Η ανάγκη για μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική, γιατί η ενέργεια αποτελεί σημαντικό κλάσμα του συνολικού κόστους παραγωγής. Στις Μεσογειακές χώρες έχει υπολογιστεί ότι η χρήση ενέργειας για έλεγχο των συνθηκών περιβάλλοντος και ειδικότερα για τη θέρμανση, είναι 20% - 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, ποσοστό το οποίο στις βορειότερες χώρες αυξάνεται. Ταυτόχρονα, με το έντονο ενδιαφέρον για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις κλιματικές αλλαγές, η χρήση των συμβατικών καυσίμων είναι και πάλι στην πολιτική ατζέντα. Έτσι και η βιομηχανία θερμοκηπίων είναι αντιμέτωπη με οικονομική, πολιτική και κοινωνική πίεση για μείωση της χρήσης ενέργειας και βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των θερμοκηπίων μέσω τεχνολογικών καινοτομιών. Η κατανάλωση ενέργειας για τη θέρμανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα διότι οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα λόγω των λεπτών τοιχωμάτων του και της κατασκευής του, είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου. Η θερμότητα παρέχεται στο θερμοκήπιο κυρίως μέσω συμβατικών συστημάτων θέρμανσης (συστήματα σωληνώσεων θερμού νερού, συστήματα θερμού αέρα) και σε περιορισμένη έκταση με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, γεωθερμία, βιομάζα). Για να επιτευχθεί με αυτές τις μεθόδους η απαραίτητη θερμοκρασία στο επίπεδο των φυτών, το εσωτερικό του θερμοκηπίου πρέπει να θερμανθεί στην ίδια ή υψηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή θερμοκρασία των φυτών με αποτέλεσμα την δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος σε ολόκληρο το θερμοκήπιο (όλον κλίμα). Το αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής σε όλες τις μελέτες που διεξάγονται είναι ότι, τα θερμοκήπια καταναλώνουν απαράδεκτα υψηλά ποσά ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια που απορροφάται από τα φυτά, για να καλύπτουν τις αυξημένες ενεργειακές απώλειες που λόγω κατασκευής παρουσιάζουν. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη πρόταση για την δημιουργία ενός "ψυχρού θερμοκηπίου" στο οποίο τα φυτά θα λαμβάνουν απευθείας την ενέργεια που χρειάζονται προκειμένου να φτάσουν και να διατηρήσουν την επιθυμητή για την ανάπτυξή τους θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει ανάγκη για αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του θερμοκηπίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα θέρμανσης με μικρού μήκους υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Σε αυτά τα συστήματα η θερμότητα μεταδίδεται απευθείας από την πηγή στον δέκτη, στην προκειμένη περίπτωση στα φυτά και το έδαφος και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος μόνο στην περιοχή του φυτικού θόλου (τοπικό κλίμα). Ειδικότερα η παρούσα εργασία αντιμετωπίζει τη θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ουσιαστικά θερμικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την διάρκεια θέρμανσης (με συμβατικό και με σύστημα θέρμανσης με ακτινοβολία) και παρουσία καλλιέργειας. Γι αυτό τον λόγο δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που προσομοιάζει επαρκώς τις κύριες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο λειτουργικών συνθηκών, και στο οποίο καθορίζονται με σχετική ακρίβεια οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Το μοντέλο προσομοίωσης δίνει την δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, και σαφούς εκτίμησης των ενεργειακών αναγκών του και με τις δυο τεχνικές θέρμανσης. Ετσι προσδιορίζεται το εξοικονομούμενο ενεργειακό όφελος που προκύπτει με τη χρήση συστήματος θέρμανσης με ακτινοβολία. Ο έλεγχος της ποιότητας του μοντέλου προσομοίωσης και η περαιτέρω βελτίωσή του γίνεται με σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα, η συλλογή και επεξεργασία των οποίων αποτελεί τον πυρήνα της έρευνας. Τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από πειράματα που διεξήχθησαν σε δύο πειραματικά θερμοκήπια συζευγμένα με αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό, στα οποία εφαρμόζεται συμβατικό σύστημα θέρμανσης και θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία αντίστοιχα. Αυτό δίνει την δυνατότητα πιστοποίησης των δυνατοτήτων της θέρμανσης με ακτινοβολία και ποσοτικοποίησης του ενεργειακού οφέλους που επιτυγχάνεται. Συμπερασματικά, η συστηματική θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός "ψυχρού" θερμοκηπίου με χρήση μικρού μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) και ενός "θερμού θερμοκηπίου" με χρήση συμβατικού συστήματος θέρμανσης αναδεικνύουν το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή η θερμότητα να μεταδίδεται απευθείας από το σύστημα ακτινοβολίας στα φυτά και το έδαφος χωρίς να παρεμβάλεται ο αέρας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό οδηγεί σε ομοιομορφία θέρμανσης του φυτικού θόλου και ταυτόχρονα σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40-50%. / After the first energy crisis in the seventies during which limited energy supplies led to an important increase in energy prices, greenhouse energy consumption has again become a major research issue. The energy cost reduction need is significant, since energy forms a substantial fraction of the total production costs. In Mediterranean countries it has been estimated that energy consumption for environment conditions control and more specifically for heating, consists 20% - 30% of total production cost, a percentage that is higher in northern countries. Moreover, due to the recent pronounced interest in the global greenhouse effect and climatic change, the use of fossil fuels is once again in the political agenda. Therefore the greenhouse industry is confronted with economical, political and social pressure to reduce energy usage and improve the greenhouse energy efficiency via technological innovations. Energy consumption for greenhouse heating represents a serious concern because greenhouse heat losses due to thin covers and construction specifics are 6-12 times higher than those of a common building of equal volume. Traditionally, thermal energy is transmitted to the greenhouse mainly through conventional heating systems (either by hot water circulation through a piping system or by air heaters) and, in a limited scale, through renewable energy sources (solar, geothermal, biomass). In order for the plants to reach required temperature through these methods, the greenhouse interior has to be heated to the same or even to a slightly higher temperature than the value targeted for the plants (entire climate). This practice results in extremely increased heat losses compared to the energy absorbed by plants, because of the increased energy losses due to construction specifications. The present thesis formulates a complete proposal for the creation of a "cold greenhouse" where plants will directly receive the needed energy in order to reach and preserve the desirable growth temperature without having to increase the internal greenhouse air temperature. The near infrared radiation (NIR) is used for this purpose. In the radiation system, heating is transmitted straight from the source to the receiver, in this particular case plants and soil. The result is an isothermal climate formation in the plant canopy (local climate). Specifically this study investigates the greenhouse thermal performance taking into account all the essential thermal phenomena that take place during heating (conventional and IR heating) and cultivation. For this reason, emphasis is given to the development of a mathematical model that simulates the main heating transfer procedures inside the greenhouse, takes into account a sum of operational conditions and determines all factors influencing the greenhouse thermal performance with relevant accuracy. The simulation model allows a credible description of greenhouse environment as well as a clear estimation of its energy needs with both heating systems. Thus the resulting energy saving by IR heating usage is determined. Quality control of the simulation model and its forward improvement is done by comparing the theoretical results with experimental data. Collecting and processing these data forms the research kernel. The experimental data correspond to experiments that took place in two experimental greenhouse connected with automatic meteorological station where conventional and IR heating have been used respectively. This method makes possible the identification of IR heating potential and quantification of energy saving. Concluding, the systematic theoretical and experimental study of a "cold" greenhouse using near IR heating, and of a "warm" greenhouse using conventional heating, proves the main advantage of IR heating that is that, the heat is directly transferred from the radiation system to the plants and the soil without interference of the internal greenhouse air. This leads to uniform heating of the plant canopy and at the same time to a significant energy saving of 40-50%.

Η σφυρηλάτηση με βολή σωματιδίων (shot peening) είναι μία επιφανειακή κατεργασία που πραγματοποιείται με σκοπό την αύξηση της αντοχής μεταλλικών υλικών και εφαρμόζεται στο τελευταίο στάδιο της γραμμής παραγωγής. Η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων κοντά στην επιφάνεια του υλικού έπειτα από την κρούση σωματιδίων με υψηλές ταχύτητες. Η ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων αυξάνει την αντοχή σε κόπωση, σε εργοδιάβρωση, καθώς και σε άλλες μηχανικές καταπονήσεις και επιτρέπει την μείωση του βάρους σχεδιάζοντας διατομές με μικρότερο πάχος. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας και εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των υπό κατεργασία υλικών σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης. Συγκεκριμένα η μεθοδολογία που αναπτύσσεται περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου για την προσομοίωση της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων και τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της στο υλικό. Τα βήματα που ακολουθηθήκαν για την ανάπτυξη του αριθμητικού προτύπου είναι, α) ο χαρακτηρισμός του κράματος αλουμινίου 7449-Τ7651 σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης μέσω της πειραματικής διάταξης Split Hopkinson Bar που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών, β) η ανάπτυξη βοηθητικών επιμέρους αριθμητικών μοντέλων, γ) η ανάπτυξη κινηματικών μοντέλων προσομοίωσης της ροής των σωματιδίων, δ) η ανάπτυξη κριτηρίων και η εφαρμογή τους για τον υπολογισμό του ελαχίστου απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων για την προσομοίωση, καθώς και των θέσεων κρούσης, ε) η ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου πλήρους γεωμετρίας της πλάκας για την κρούση του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων και στ) η πειραματική επαλήθευση του αριθμητικού προτύπου. Με το αριθμητικό πρότυπο που αναπτύχτηκε υπολογίστηκαν τα αποτελέσματα της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων στο υλικό και επιβεβαιώθηκαν μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αποτελέσματα της κατεργασίας εκτός από τις παραμένουσες τάσεις αποτελούν και η πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητα, η επιφανειακή τραχύτητα και κατ' επέκταση ο συντελεστής έντασης τάσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη για την επίδραση της διαμέτρου, της ταχύτητας και της γωνίας κρούσης στην ανάπτυξη των παραμενουσών τάσεων. Επίσης το αριθμητικό πρότυπο επαληθεύτηκε και για άλλα μεταλλικά υλικά. / Shot peening is a surface treatment process that is performed to increase the strength of metallic materials and is applied to the last stage of the production line (post manufacturing process). The increase in strength is achieved by the developed compressive residual stresses near the surface and the subsurface of the treated material after the impact of small diameter particles with high speeds. The developed compressive residual stresses increases the fatigue strength, the mechanical performance of the component under stress corrosion cracking (SCC), under higher stresses and allows lighter structure design. This PhD thesis presents a comprehensive numerical simulation of the Shot peening process and includes a comprehensive study of the mechanical behaviour of treated materials under high strain rates of deformation. Specifically, the methodology developed includes the development of a comprehensive numerical model to simulate Shot peening treatment and calculate the results on the treated material. The steps followed for the development of the numerical model are: a) the characterization of the Aluminium alloy 7449-T7651 at high strain rates using a Split Hopkinson Bar apparatus designed and built at the Laboratory of Technology and Strength of Materials, b) the development of auxiliary partial numerical models, c) the development of a kinematic simulation model for the analysis of the flow particles, d) the development and the application of two criteria for the successful calculation of the minimum number of particles that required for the simulation, and the impact positions e) the development of a numerical model describing the full plate geometry for the impact of the minimum number of particles required and f) the experimental verification of the numerical model. The process outcomes and results on the treated material were calculated by the numerical model developed. The numerical results that were calculated for the threaded material were confirmed by comparison with experimental results. Treatment results include the residual stresses, the plastic deformation, hardness, surface roughness, and hence the stress concentration factor. A parametric study on the effect of the diameter, speed and angle of impact to the development of residual stresses was performed. The numerical model was also verified for a number of other metallic materials.

The problem of pile - soil interaction is examined in the Thesis at hand by means of both theoretical analyses and experimental investigations. Pile foundations in seismically prone areas are subjected to both direct loading, such as axial and lateral forces imposed at their heads, resulting from a phenomenon known as inertial interaction, and indirect loading along their body, such as imposed displacements due to the passage of various types of seismic waves, resulting from a phenomenon known as kinematic interaction. Along this vein, a family of analytical models of the Tajimi type are presented in the framework of linear elastodynamic theory to explore the effects of axial and lateral pile - soil interaction in homogeneous and inhomogeneous soil under static and dynamic (kinematic and inertial) loading. Apart from simplified two-dimensional models of the Baranov - Novak type, few analytical solutions are available to tackle these problems in three dimensions, the majority of which are restricted to the analysis of an elastic half space under static conditions. The proposed models are based on a continuum solution pioneered by Japanese investigators (notably Matuso & Ohara and Tajimi) in the 1960’s. In the realm of this approach the soil is modelled as a continuum, while the pile is conveniently modelled as a rod or a beam by strength-of-materials theory. Displacements and stresses are expressed through Fourier series in terms of the natural modes of the soil medium. Fundamental to the analysis presented in this study is that the influence of horizontal soil displacement on axial pile response and vertical displacement on lateral response, respectively, are negligible. However, their effect on stresses is not negligible which differentiates the proposed models from the classical Tajimi solutions in which the aforementioned displacements are set equal to zero. The above approximations are attractive, as they lead to a straightforward uncoupling of the equations of motions, even in inhomogeneous media, unlike the classical elastodynamic theory where the uncoupling is generally impossible in presence of inhomogeneity. Although approximate, the proposed models are advantageous over available analytical models and rigorous numerical schemes, as they require relative simple computations and provide excellent predictions of pile response at the frequency ranges of interest in earthquake engineering and geotechnics. In addition, they are advantageous over existing simplified analytical approaches of the Winkler type, as they are more accurate, self - standing, free of empirical constants and provide more realistic simulation of the problem. The main advantage over numerical methods (finite and boundary elements) lies in the derivation of the solution in closed form and the elucidation of complex mechanisms related to the dynamic interaction phenomenon, such as radiation damping and wave propagation in in homogeneous media. The main goal of the theoretical effort lies in the derivation of solutions in closed - form for: (i) the static stiffness and the dynamic impedances (dynamic stiffness and damping coefficients) at the pile head, (ii) translational and rotational kinematic response factors (pile head displacement or rotation over free-field response), (iii) actual, depth- dependent, Winkler moduli (spring and damping coefficients), (iv) corresponding average, depth- independent, Winkler moduli to match the pile head stiffness. In addition, simple approximate formulae for Winkler moduli to be used in engineering practice are proposed, to improve the predictions of Winkler models. Pile-to-pile interaction is investigated on the basis of the superposition method for axially loaded piles. Closed-form expressions for attenuation functions are derived to be used individually or in conjunction with more elaborate methods providing more accurate predictions for static and dynamic interaction factors to assess the vertical stiffness of pile groups. New dimensionless frequency ratios controlling pile response are introduced. Finally, new solutions are added in the context of analytical Winkler models for investigating the behaviour of piles under kinematic loading due to vertically-propagating S waves. Emphasis is given on the influence of boundary conditions of the pile. With reference to kinematic pile bending, insight into the physics of the problem is gained through a rigorous superposition scheme involving an infinitely-long pile excited kinematically, and a pile of finite length excited by a concentrated force and a moment at the tip. Contrary to the classical elastodynamic theory where pile response is governed by six dimensionless ratios, in the realm of Winkler theory three only ratios suffice to fully describe the interaction problem, from which the mechanical slenderness and the effective dimensionless frequency are introduced for the first time. The selection of an appropriate value for the Winkler modulus in the accuracy of the kinematic Winkler model is demonstrated. The theoretical results are compared to new experimental data obtained from a series of tests on piles carried out on scaled models performed on the shaking table at University of Bristol Laboratory (BLADE) within the framework of the Seismic Engineering Research Infrastructures (SERIES) program, sponsored by FP7, and contribute in the investigation of pile - soil interaction. / Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους μέσω συνδυασμένης θεωρητικής ανάλυσης και πειραματικής διερεύνησης. Οι πάσσαλοι, ως μέσο θεμελίωσης σε σεισμογόνες περιοχές, υπόκεινται σε άμεση φόρτιση στην κεφαλή, μέσω δυνάμεων και ροπών, ως αποτέλεσμα του φαινομένου της αδρανειακής αλληλεπίδρασης, αλλά και σε έμμεση φόρτιση σε όλο τους το μήκος, μέσω επιβαλλόμενων εδαφικών μετακινήσεων, ως αποτέλεσμα του φαινομένου της κινηματικής αλληλεπίδρασης. Στην κατεύθυνση αυτή παρουσιάζεται η ανάπτυξη οικογένειας αναλυτικών προσομοιωμάτων τύπου Tajimi, στο πλαίσιο της γραμμικής ελαστοδυναμικής θεωρίας, για τη διερεύνηση της αξονικής και πλευρικής αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους σε ομοιογενείς και ανομοιογενείς εδαφικούς σχηματισμούς, υπό στατική και δυναμική φόρτιση κινηματικής και αδρανειακής μορφής. Εκτός από απλοποιημένα διδιάστατα προσομοιώματα τύπου Baranov - Novak, ελάχιστες αναλυτικές λύσεις είναι διαθέσιμες σε τρεις διαστάσεις, οι περισσότερες των οποίων περιορίζονται στην ανάλυση ελαστικού ημίχωρου υπό στατικές συνθήκες. Τα προτεινόμενα προσομοιώματα βασίζονται σε μια πρωτοποριακή λύση συνεχούς μέσου (κατά Matsuo & Ohara και Tajimi) η οποία αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960, αλλά δεν επεκτάθηκε ουσιαστικά μέχρι την παρούσα εργασία. Στο πλαίσιο αυτής της προσέγγισης το έδαφος προσομοιώνεται ως συνεχές μέσο και ο πάσσαλος ως ράβδος ή δοκός σύμφωνα με τη τεχνική θεωρία της κάμψης (παραδοχή επιπεδότητας των διατομών), ενώ οι μετακινήσεις και οι τάσεις εκφράζονται μέσω αναπτυγμάτων Fourier σε όρους των φυσικών ιδιομορφών του εδαφικού μέσου. Θεμελιώδης παραδοχή της προτεινόμενης ανάλυσης είναι ότι η επιρροή της οριζόντιας εδαφικής μετακίνησης στην αξονική απόκριση του πασσάλου, αλλά και η επιρροή της κατακόρυφης μετακίνησης στην πλευρική απόκριση θεωρούνται αμελητέες, ωστόσο η επίδρασή τους στις τάσεις είναι μη μηδενική, πράγμα που τις διαφοροποιεί από τις κλασσικές λύσεις τύπου Tajimi στις οποίες οι ανωτέρω μετακινήσεις μηδενίζονται. Οι ανωτέρω προσεγγίσεις κρίνονται ως ιδιαίτερα ελκυστικές καθώς οδηγούν στην άμεση απόζευξη των εξισώσεων της κίνησης, ακόμη και σε ανομοιογενή μέσα, αντίθετα με την κλασσική ελαστοδυναμική θεωρία, η απόζευξη είναι γενικώς αδύνατη παρουσία εδαφικής ανομοιογένειας. Παρά τον προσεγγιστικό τους χαρακτήρα, τα προτεινόμενα αναλυτικά προσομοιώματα πλεονεκτούν ως προς διαθέσιμα αναλυτικά προσομοιώματα και αυστηρά αριθμητικά σχήματα, καθώς απαιτούν σχετικά απλούς υπολογισμούς και παρέχουν εξαιρετικές προβλέψεις της απόκρισης του πασσάλου για το εύρος συχνοτήτων που παρουσιάζει ενδιαφέρον στη σεισμική μηχανική και τα γεωτεχνικά. Επιπρόσθετα, υπερτερούν ως προς υφιστάμενες αναλυτικές προσεγγίσεις τύπου Winkler, καθώς είναι ακριβέστερα, αυτόνομα, απαλλαγμένα από εμπειρικές σταθερές και προσφέρουν ρεαλιστικότερη προσομοίωση του προβλήματος. Το κύριο πλεονέκτημα έναντι των αριθμητικών μεθόδων (πεπερασμένα και συνοριακά στοιχεία) έγκειται στην εξαγωγή της λύσης σε κλειστή μορφή και στη διερεύνηση πολύπλοκων φαινομένων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση πασσάλου - εδάφους, όπως αυτό της απόσβεσης ακτινοβολίας και της διάδοσης κυμάτων στο έδαφος - ειδικά παρουσία ανομοιογένειας. Ο κύριος στόχος της θεωρητικής διερεύνησης υλοποιείται με την εξαγωγή λύσεων σε κλειστή μορφή για: (i) τη στατική και δυναμική στιφρότητα και απόσβεση στην κεφαλή του πασσάλου, (ii) τους συντελεστές κινηματικής απόκρισης σε μετάθεση και στροφή, (iii) τους πραγματικούς, συναρτήσει του βάθους, συντελεστές Winkler (συντελεστής στιφρότητας ελατηρίων και συντελεστής απόσβεσης), (iv) τους αντίστοιχους μέσους, ανεξάρτητους από το βάθος, συντελεστές Winkler. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται ακριβέστερες των διαθέσιμων στη βιβλιογραφία απλές προσεγγιστικές σχέσεις για τον υπολογισμό του συντελεστή Winkler με σκοπό τη βελτίωση της ακρίβειας των προσομοιωμάτων Winkler. Διερευνάται η αλληλεπίδραση πασσάλου προς πάσσαλο στην περίπτωση αξονικά φορτισμένων πασσάλων με βάση την αρχή της επαλληλίας. Εξάγονται λύσεις σε κλειστή μορφή για τις συναρτήσεις εξασθένισης ώστε να χρησιμοποιηθούν αυτόνομα ή σε συνδυασμό με πιο εκλεπτυσμένες λύσεις δίνοντας με στόχο ακριβέστερες προβλέψεις για τους συντελεστές αλληλεπίδρασης, οδηγώντας έτσι σε πιο ρεαλιστικές εκτιμήσεις της κατακόρυφης στιφρότητας ομάδας πασσάλων. Εισάγονται νέοι αδιάστατοι λόγοι συχνοτήτων που καθορίζουν την απόκριση του πασσάλου. Τέλος, παρουσιάζονται νέες λύσεις σε αναλυτικά προσομοιώματα Winkler για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς πασσάλων υποκείμενων σε φόρτιση λόγω της κατακόρυφης διάδοσης διατμητικών κυμάτων στο έδαφος, με έμφαση στην επίδραση των οριακών συνθηκών του προβλήματος. Σε αντίθεση με την κλασσική ελαστοδυναμική θεωρία που η απόκριση του πασσάλου καθορίζεται από έξι αδιάστατους λόγους, στο πλαίσιο της θεωρίας Winkler επαρκούν μόνο τρεις για την πλήρη περιγραφή της αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους, εκ των οποίων η μηχανική λυγηρότητα και η ενεργός αδιάστατη συχνότητα παρουσιάζονται για πρώτη φορά. Καταδεικνύεται η σημασία επιλογής της κατάλληλης τιμής του συντελεστή Winkler στην ακρίβεια των εν λόγω προσομοιωμάτων. Προτείνεται σύστημα υπέρθεσης που αποτελείται από ένα απειρομήκη πάσσαλο που διεγείρεται κινηματικά και έναν πάσσαλο πεπερασμένου μήκους που υπόκειται σε αδρανειακή φόρτιση για τη διαλεύκανση της λειτουργίας του θεμελιώδους μηχανισμού που καθορίζει την κινηματική κάμψη του πασσάλου. Τα θεωρητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με νέα πειραματικά δεδομένα από σειρά δοκιμών σε διάταξη πασσάλων υπό κλίμακα που εκτελέστηκαν στο σεισμικό προσομοιωτή του Πανεπιστήμιου του Bristol στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Προγράμματος SERIES, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από το κοινοτικό πλαίσιο FP7 που συμβάλλουν στην περαιτέρω διερεύνηση του φαινομένου της κινηματικής αλληλεπίδρασης εδάφους - πασσάλου.

Renewable Energy Sources (RES) are the most promising resources of energy production for everyday life. Therefore, the precise combination of RES based technologies into hybrid systems could provide the solution to several energy problems facing the planet. The motivation of the present research study is the total understanding of the prevailing phenomena by using RES equipment in several projects. This thesis will focus on standalone hybrid RES based systems. By presenting the RES systems the necessity of buffering systems will become apparent as the most crucial parts of off-grid systems. Therefore, the most well-established buffering technologies will be analytically presented in order to be subsequently embodied into the simulated RES applications. Following the above theoretical approach of RES based equipment and hybrid systems in general, this thesis will focus on a more applied research study comprising the energetic and economical simulation and optimization of a RES based stand alone system that is already installed in Leicestershire, UK. Based on local meteorological data, an optimization strategy has been developed to identify the most economical and efficient scenarios for electricity generation to cover the desirable load on an annual basis. Furthermore, the environmentally-friendly character of the system was highly concerned with emissions reduction; therefore the capability of an off-grid system was also investigated. The feasibility of RES based systems for electricity supply will then be presented for four different Greek Islands. Three specific typical loads have been selected to be covered and the grid connection was considered optional. Up to this point the simulation and optimization procedures were applied by using the HOMER software tool in order to investigate the most suitable well-established platform in the world. After the theoretical research study on the most well-known platform of HOMER an innovative optimization theory based on the energy part of a hybrid system will be presented in order to select the most efficient system according to the desired requirements and the location of a RES based project. This thesis will then focus on the design and operation of an autonomous hybrid system under real-life meteorological conditions which is capable of simulating several loads assumed to cover the electricity demands of small buildings. The specific hybrid system embodies technologies that use photovoltaic and wind energy in combination with an electrochemical storage bank. Experiments on the coverage of annual loads regarding a typical house, a typical country house and a small company were also performed to prove the feasibility of the stand-alone system. The same established RES project was then simulated on a yearly basis using the HOMER software platform to determine real-time results. The above analysis revealed that HOMER software cannot successfully simulate the operation of such a system, therefore the design of a new mathematical model to produce results similar to those of the experimental process was considered essential based on a new optimization strategy. / Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) αποτελούν τις πιο πολλά υποσχόμενες πηγές στον τομέα της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας μέσα στην ανθρώπινη καθημερινότητα. Έτσι ο ακριβής συνδυασμός των ΑΠΕ σε υβριδικά συστήματα θα μπορούσε να αποτελέσει τη λύση στο μεγάλο ενεργειακό πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο πλανήτης τα τελευταία χρόνια και όσο περνάει ο καιρός αυτό φαίνεται να διογκώνεται. Το κίνητρο για την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής στηρίζεται στην ανάγκη για απόλυτη κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη χρήση των ΑΠΕ σε διάφορα συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, μέσα από αυτή την έρευνα θα φανεί πως οι καιρικές συνθήκες επηρεάζουν τη συμπεριφορά ενός υβριδικού συστήματος και σε ποιό ποσοστό. Ακόμα περιμένουμε να γίνει φανερό το πόσο σημαντική είναι η σωστή επιλογή των τεχνολογιών σύμφωνα με τις ηλεκτρικές ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν από ένα εγκατεστημένο σύστημα. Στη συνέχεια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε κάτω από ποιες συνθήκες ένα αυτόνομο υβριδικό σύστημα μπορεί να είναι εφικτό καθώς και πόσο ακριβή αποτελέσματα μπορούν αν δώσουν τα θεωρητικά μαθηματικά μοντέλα επάνω στην πρόβλεψη της λειτουργίας ενός συστήματος. Τέλος, παρουσιάστηκε πως μπορεί να ενισχυθεί ο οικολογικός χαρακτήρας ενός συστήματος ενώ την ίδια στιγμή αποκαλύφθηκε η κύρια αδυναμία του κατά τη λειτουργία καθώς και πως αυτή μπορεί να λυθεί με τη χρήση καινοτόμων συσκευών για την αποθήκευση ενέργειας. Μέσω της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποδείχθηκε πως ένα υβριδικό σύστημα υποστηριζόμενο από ΑΠΕ μπορεί να μετατραπεί σε εντελώς αυτόνομο με ενισχυμένο τον οικολογικό του χαρακτήρα και με την οικονομική και ενεργειακή βιωσιμότητά του να κυμαίνεται σε υψηλά επίπεδα. Το παραπάνω συμπέρασμα προέκυψε μέσω θεωρητικών αλλά και πειραματικών προσομοιώσεων διάφορων υβριδικών μονάδων. Αυτό αποτελεί ίσως το πιο ενθαρρυντικό στοιχείο για πλήρη αξιοποίηση των ΑΠΕ προκειμένου να καλυφθούν οι παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες με τρόπους εντελώς φιλικούς προς το περιβάλλον στο άμεσο μέλλον.

Τα τελευταία χρόνια οι εφαρμογές συνεχούς μετάδοσης ροών πληροφορίας στο διαδίκτυο έχουν γίνει ιδιαίτερα δημοφιλείς. Με τον συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό εισόδου νέων αντικειμένων πληροφορίας, γίνεται ολοένα και πιο επιτακτική η ανάγκη για την ανάπτυξη πληροφορικών συστημάτων που να μπορούν να προσφέρουν στους χρήστες τους μόνο εκείνες τις πληροφορίες που τους ενδιαφέρουν, φιλτράροντας τεράστιους όγκους από άσχετες για τον κάθε χρήστη, πληροφορίες. Ένα μοντέλο διάδοσης πληροφορίας ικανό να ενσωματώσει τέτοιου είδους ιδιότητες, είναι το μοντέλο δημοσιεύσεων/συνδρομών βασισμένο στο περιεχόμενο ( content-based publish/subscribe) Βασική συνεισφορά μας στο χώρο είναι η εφαρμογή του μοντέλου δημοσιεύσεων/συνδρομών βασισμένου στο περιεχόμενο (content-based publish/subscribe) πάνω στα δίκτυα ομοτίμων ώστε να μπορέσουμε να προσφέρουμε στους χρήστες υψηλή εκφραστικότητα κατά την δήλωση των ενδιαφερόντων τους, λειτουργώντας σε ένα πλήρως κατανεμημένο και κλιμακώσιμο περιβάλλον. Ο κορμός των προτεινόμενων λύσεων σε αυτή τη διατριβή είναι: (α) η ανάπτυξη αλγορίθμων για την αποθήκευση των κλειδιών των δημοσιεύσεων σε κατάλληλους κόμβους του δικτύου με βάση τις συνθήκες στο περιεχόμενο που έχουν δηλωθεί και (β) αλγορίθμων δρομολόγησης δημοσιεύσεων στο διαδίκτυο έτσι ώστε να ((συναντούν)) αυτούς τους κόμβους οι οποίοι περιέχουν συνδρομές που ικανοποιούνται από την πληροφορία της δημοσίευσης. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι υλοποιήθηκαν και εξετάσθηκαν ενδελεχώς με προσομοίωση μελετώντας την απόδοσή τους με βάση μετρικές όπως: η δίκαιη κατανομή του φόρτου στους κόμβους του δικτύου από τη διακίνηση μηνυμάτων κατά την επεξεργασία των συνδρομών/δημοσιεύσεων, ο συνολικός αριθμός μηνυμάτων που διακινούνται, ο συνολικός όγκος επιπλέον πληροφορίας που απαιτούν οι αλγόριθμοι να εισέλθει στο δίκτυο (network bandwidth), και ο χρόνος που απαιτείται για την ανεύρεση των συνδρομών που συζευγνύουν με κάθε δημοσίευση. / In the past few years the continuous data streams applications have become particularly popular. With the continuously increasing rate of entry of new information, it becomes imperative the need for developing appropriate infrastructures that will offer only the information that users are interested for, filtering out large volumes of irrelevant for each user, information. The content-based publish/subscribe model, is capable of handling large volumes of data traffic in a distributed, fully decentralized manner. Our basic contribution in this research area is the coupling of the content-based publish/subscribe model with the structured (DHT-based) peer-to-peer networks, offering high expressiveness to users on stating their interests. The proposed infrastructure operated in a distributed and scalable environment. The proposed solutions in this thesis are related to the development and testing: (a) of a number of algorithms for subscription processing in the network and (b) of a number of algorithms for processing the publication events. The proposed algorithms were developed and thoroughly tested with a detailed simulation-based experimentation. The performance metrics are: the fair distribution of load in the nodes of network from the distribution of messages while processing subscriptions and publication events, the total number of messages that are generated, the total volume of additional information that is required from the algorithms to operate, and the time that is required for matching publication events to subscriptions.

Φαινόμενα άντλησης με ή χωρίς βαλβίδες εξετάζονται πειραματικά και θεωρητικά μέσω κυλινδρικών εύκαμπτων αγωγών. Το φαινόμενο της άντλησης ρευστού χωρίς βαλβίδες μελετάται πειραματικά σε κλειστό βρόχο αποτελούμενο από δύο αγωγούς, έναν εύκαμπτο και έναν άκαμπτο. Αναπτύσσεται μη μηδενική μέση χρονικά παροχή ρευστού όταν διεγείρεται τμήμα του εύκαμπτου αγωγού σε συγκεκριμένες συχνότητες και πλάτη διέγερσης. Η διέγερση επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης και αποσυμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού από έναν κατάλληλο παλινδρομικό μηχανισμό. Εξετάζονται τέσσερις παράμετροι επιρροής του φαινομένου, η συχνότητα, το μήκος, το πλάτος και η θέση της διέγερσης. Καταγράφονται τα σήματα μέτρησης της παροχής στο μέσον του άκαμπτου αγωγού, οι τιμές της στατικής πίεσης στα άκρα του άκαμπτου αγωγού και η κατακόρυφη μετατόπιση της πλάκας συμπίεσης. Επιπλέον, προσδιορίζεται η παραμόρφωση της εγκάρσιας διατομής του ελαστικού αγωγού στην περιοχή της διέγερσης, κατά τη συμπίεση και αποσυμπίεσή του για διάφορα πλάτη διέγερσης. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την ανάπτυξη ροής προς μία κατεύθυνση με την αύξηση της συχνότητας διέγερσης. Η ροή αυτή μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα διέγερσης ταυτίζεται με την ιδιοσυχνότητα του υδραυλικού κυκλώματος. Η μέση χρονικά παροχή αυξάνει καθώς το σημείο διέγερσης απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού και επίσης με την αύξηση του πλάτους ή του μήκους διέγερσης. Θεωρητικά το φαινόμενο της άντλησης χωρίς βαλβίδες μελετάται μέσω της ανάπτυξης ενός κατάλληλου ψευδο-μονοδιάστατου μοντέλου που επιλύεται αριθμητικά, θεωρώντας ξανά κλειστό βρόχο ενός εύκαμπτου και ενός άκαμπτου αγωγού. Οι εξισώσεις του μοντέλου διαμορφώνονται με την ολοκλήρωση των εξισώσεων ροής (συνέχειας και ορμής) επί της εγκάρσιας διατομής του κλειστού βρόχου, θεωρώντας αξονοσυμμετρική ροή ασυμπίεστου ρευστού με σταθερό ιξώδες. Χρησιμοποιείται επίσης μία καταστατική εξίσωση που σχετίζει την αναπτυσσόμενη πίεση με την μεταβαλλόμενη εγκάρσια διατομή του βρόχου, έχοντας υποθέσει λεπτά ελαστικά τοιχώματα αγωγών με γραμμικές παραμορφώσεις. Επιλύεται αριθμητικά μη γραμμικό σύστημα μερικών διαφορικών εξισώσεων υπερβολικού τύπου, μέσω τριών αριθμητικών σχημάτων: Lax-Wendroff, MacCormack, και Dispersion Relation Preserving (DRP), το οποίο παρουσιάζει και την υψηλότερη ακρίβεια. Οι τρεις άγνωστες συναρτήσεις που υπολογίζονται στο χώρο και το χρόνο είναι η εγκάρσια διατομή του κλειστού κυκλώματος, η αναπτυσσόμενη εσωτερική πίεση του ρευστού και η ταχύτητά του. Σε κάποιο σημείο του εύκαμπτου αγωγού η περιοδική διέγερση προκαλεί κατευθυνόμενη ροή του ρευστού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Όταν η διέγερση απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού, αναπτύσσεται διαφορά φάσης μεταξύ των κυματομορφών της πίεσης στα σημεία σύνδεσης των δύο αγωγών. Η κυματομορφή της πίεσης που προηγείται είναι αυτή που διαμορφώνεται στο σημείο σύνδεσης των δύο αγωγών που είναι πιο κοντά στη διέγερση. Με αύξηση του πλάτους ή του μήκους του διεγειρόμενου τμήματος του κλειστού κυκλώματος, η μέση χρονικά παροχή αυξάνει και μεγιστοποιείται στην ιδιοσυχνότητα του συστήματος. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα διέγερσης στο πεδίο μακριά της συχνότητας συντονισμού, εμφανίζονται τοπικά ακρότατα της συνάρτησης της μέσης χρονικά παροχής με τη συχνότητα, τα οποία αναδεικνύουν τον περίπλοκο χαρακτήρα του φαινομένου της άντλησης χωρίς βαλβίδες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν την ίδια συστηματικότητα με τα αντίστοιχα του πειράματος, διατηρώντας τα περισσότερα χαρακτηριστικά και τάσεις στις μεταβολές. Κατά το πρώιμο στάδιο κύησης του εμβρύου το αίμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση στο πρωταρχικό κυκλοφορικό σύστημα του εμβρύου, παρότι οι βαλβίδες απουσιάζουν. Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο επιλύεται με αριθμητικά δεδομένα από τη φυσιολογία του εμβρύου, γι’ αυτό το πρώιμο στάδιο κύησης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DRP 4ης τάξης ακρίβειας στο χώρο και το χρόνο. Το μέγεθος της μέσης παροχής του αίματος εξαρτάται από τους εμβρυϊκούς καρδιακούς παλμούς και το βαθμό συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Η αντλητική ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου εκφράζεται με τη μέση παροχή αίματος ως συνάρτηση των καρδιακών παλμών και του βαθμού συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Το φαινόμενο της άντλησης με βαλβίδες μελετάται πειραματικά μέσω ενός ανατάξιμου εύκαμπτου αγωγού, ο οποίος συμπιέζεται από ένα μηχανισμό δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Μία πρότυπη συσκευή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, ώστε να αναλυθεί η συμπεριφορά και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Περισταλτικές αντλίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται στην ιατρική σε εφαρμογές παρεντερικής διατροφής, άντλησης του αίματος και ειδικότερα σε έγχυση φαρμάκων. Για την κατασκευή της πρότυπης αντλίας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας καινοτομικός μηχανισμός εκκεντροφόρου άξονα, ο οποίος επιτυγχάνει σταθερό ρυθμό έγχυσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δύο δεξαμενές υπερχείλισης που συνδέονται μέσω ενός σωλήνα ελαστικού σιλικόνης. Το όλο σύστημα πληρώνεται με αποσταγμένο νερό και η άντληση επιτυγχάνεται από τη μία δεξαμενή στην άλλη με κατάλληλη προοδευτική συμπίεση ενός τμήματος του ελαστικού αγωγού μέσω του μηχανισμού της αντλίας. Η παροχή μετράται ζυγίζοντας τη δεξαμενή κατάθλιψης, η οποία είναι τοποθετημένη σε δυναμοκυψέλη γι’ αυτό το σκοπό. Για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας η έγχυση είναι σχεδόν ομαλή χωρίς πάλμωση. Επίσης, η παροχή εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα περιστροφής του άξονα της αντλίας και μεγιστοποιείται γύρω από την ιδιοσυχνότητα της συσκευής. / Valveless and valvate pumping phenomena are investigated experimentally and theoretically through cylindrical distensible tubes. The phenomenon of valveless pumping is studied experimentally in a loop consisting of two tubes, a soft and a hard one filled with salted water. A non zero mean flow-rate is established via a reciprocating flat plate mechanism compressing and decompressing a portion of the flexible tube with a controllable frequency and depth of compression. Four parameters of the problem were examined, namely the frequency of the oscillating plate, its length, the depth of compression and the location where the tube is compressed. Four signals were simultaneously recorded, namely the flow-rate at the mid length of the hard tube, the static pressure at the tube’s ends and the displacement of the oscillating plate. Also, the tube cross-sectional area was measured versus the displacement of the oscillating plate for various values of the maximum depth of compression. Analysis of the obtained data showed that a unidirectional flow is established increasing the frequency of compression and it maximizes when the compression frequency coincides with the natural frequency of the hydraulic loop. The mean value of the flow-rate increases when the point of compression moves far from the mid length of the flexible tube, when the length of the reciprocating plate increases and when the depth of compression increases. Additionally, the development of a theoretical model of valveless pumping and its numerical solution is presented, applied for the case of the closed hydraulic loop, consisting of a flexible and a rigid tube. The integration of the governing flow equations (continuity and momentum), over the tube cross-sectional area results in a quasi-one-dimensional unsteady model, considering axisymmetric flow of incompressible fluid with constant viscosity. There was also used a constitutive state equation, relating pressure and cross-sectional area, and assuming that the deformations of the thin-walled tubes are purely elastic. A system of nonlinear partial differential equations of the hyperbolic type is solved numerically, employing three finite difference schemes: Lax-Wendroff, MacCormack, and Dispersion Relation Preserving (DRP), the last being the most accurate one. Three functions in time and space are calculated, the cross-sectional area of the closed loop, the building up internal pressure and the velocity of the fluid inside the loop. A periodic compression and decompression of the flexible tube causes a unidirectional flow, under certain conditions. When the excitation takes place far from the midlength of the flexible tube, a phase difference between the pressures at the two edges of each tube is developed, being in advance the one that is closer to the excitation area. Increasing the tube occlusion or the length of the excited part of the loop the mean flow rate increases and maximizes at the natural frequency of the loop. Varying the excitation frequency both above and below the resonance frequency, local flow rate extremes appear, manifesting the complex character of the valveless pumping phenomenon. The simulated results maintain most of the characteristics found in the experiment. During early embryonic life, blood circulates in one direction through the primitive circulatory system, in spite of the complete lack of valves. The above mathematical model described the coordinated fashion of the blood circulation in the circulatory system of the embryo. The one-dimensional model is analysed numerically and solved with the DRP scheme, which is of fourth order accurate in time and space. The mean blood flow-rate depends on the embryonic heart rate and the contraction grade of the primordial heart tube. The pumping activity of the embryo circulatory system is shown by presenting the mean blood flow-rate as a function of embryonic heart rate for several contraction grades of the primordial heart tube. Furthermore, the phenomenon of valvate pumping is studied experimentally through a resilient tube, compressed by a two-cycle peristaltic pump mechanism. A prototype device was designed and manufactured in order to analyze the behaviour and reveal the characteristic curves of such a pump. This kind of pump can be used in medicine for nutrition, pumping blood and especially for drug infusion therapies. Concerning the manufacturing of this prototype device, an innovative mechanism was applied, regarding the camshaft of the pump, in order to achieve constant infusion flow-rate in time. The experimental set-up consists of two rigid overflow vessels filled with distilled water, communicating via a silicone rubber tube. Pumping is achieved from one vessel to the other by inducing a progressive deformation (shrinkage) on a segment of the silicone rubber tube through the pump. The flow-rate is measured by weighing the fluid-receiver vessel, which is placed on a single point load-cell platform. At low pumping frequencies the flow-rate is almost steady. Also it is shown that the flow-rate is mainly dependent on the rotating frequency of the pump and maximizes when the excitation frequency coincides with the natural frequency of the device.