Η εξέλιξη που γνώρισε το laser κατά τα χρόνια που πέρασαν μέχρι σήμερα είναι ραγδαία και θεαματική. Οι καταπληκτικές ιδιότητες του γοήτεψαν τόσο τους ερευνητές όσο και τους εκπροσώπους της βιομηχανίας και της τεχνολογίας. Τα laser αερίου ενεργού μέσου αποτελούν την πλειοψηφία των βιομηχανικών laser. Ένας τύπος αυτών είναι τα excimer laser τα οποία αποτελούν τα πιο ισχυρά laser στην υπεριώδη UV φασματική περιοχή. Το excimer (ή ακριβεστερα exciplex) laser XeCl αποτελεί αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας και περιλαμβάνει τα εξής μέρη: a. Συνοπτική παρουσίαση των βασικών αρχών λειτουργίας ενός laser b. Γενική παρουσίαση των Excimer laser αλλά και του laser XeCl c. Γενικές παρατηρήσεις στη μοντελοποίηση ενός excimer d. Παρουσίαση ενός απλού θεωρητικού μοντέλου για το laser XeCl e. Παρουσίαση και αξιολόγηση της υπολογιστικής μεθόδου και των αποτελεσμάτων της. Για τη μηδενικής διάστασης αριθμητική προσέγγιση αναπτύσσεται μία υπολογιστική μέθοδος επίλυσης. Η ίδια η μέθοδος στηρίζεται σε εξομοίωση που πραγματοποιήθηκε με χρήση του πακέτου λογισμικού Matlab 7.0. Τέλος, γίνεται έλεγχος της εξάρτησης της ισχύος και σύγκριση των αποτελεσμάτων, όπου αυτό είναι δυνατό. / -

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται σε παγκόσμιο επίπεδο τεράστια αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων για όλες τις κατηγορίες καταναλωτών. Η γιγάντωση της βιομηχανίας, η ανάπτυξη πρώην αναπτυσσόμενων χωρών με ραγδαίους ρυθμούς όπως η Κίνα, η Ινδία κλπ, η γενικότερη άνοδος του βιοτικού επιπέδου σε παγκόσμια κλίμακα, αλλά και η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, έχουν οδηγήσει σε εκθετική αύξηση των ενεργειακών ανάγκών του. Για την κάλυψη των αναγκών αυτών, μεγάλα έργα έχουν παραγματοποιηθεί με σκοπό την αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση των καυσίμων και λοιπών ενεργειακών πόρων, αλλά και την γρηγορότερη και ασφαλέστερη μεταφορά τους από τα σημεία εξόρυξης και επεξεργασίας, στα κέντρα κατανάλωσης. Στο ευρύτερο αυτό πλαίσιο, η βιομηχανία της κατασκευής σωληναγωγών μεταφοράς υδρογονανθράκων γνωρίζει τεράστια ανάπτυξη τα τελευταία είκοσι χρόνια. Παράλληλα, την ίδια αν όχι μεγαλύτερη ανάπτυξη γνωρίζει και η βιομηχανία παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Για πολλούς λόγους η εξέλιξη των δύο αυτών βιομηχανικών τομέων είναι συνδεδεμένη και ακολουθεί κοινούς ενεργειακούς δρόμους. Έτσι, η επιλογή κοινών «οδών» διάβασης των υποδομών της βιομηχανίας ηλεκτρισμού και της πετρελαιοβιομηχανίας αποτελεί σήμερα πολύ συνηθισμένη πρακτική-αν όχι τον κανόνα. Κατά συνέπεια, οι περιπτώσεις παραλλήλισμού, έμμεσης προσέγγισης και διασταύρωσης γραμμών μεταφοράς υψηλής και υπερυψηλής τάσης, με αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου ή πετρελαίου –υπέργειους και υπόγειους- είναι συχνή. Στις περιπτώσεις αυτές, η ηλεκτρομαγνητική επίδραση πάνω στον αγωγό μεταφοράς από την γραμμή Υ/Τ (ή ΥΥ/Τ) είναι ιδιαίτερα σημαντική. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη αυτής ακριβώς της επίδρασης μιας γραμμής υψηλής τάσης πάνω σε έναν παρακείμενο υπέργειο αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, κατά την διάρκεια ενός κεραυνικού πλήγματος επί της γραμμής. Αρχικά, στα πρώτα έξι κεφάλαια έγινε μια παράθεση πληροφοριών και θεωρητική προσέγγιση όλων των επιμέρους τμημάτων που συνθέτουν τη συνολική διάταξη της μελέτης. Στο πρώτο κεφάλαιο δόθηκαν γενικές πληροφορίες για τα διάφορα είδη υπερτάσεων και την κατηγοριοποίησή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο διατυπώθηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου του κεραυνού, αποπειράθηκε η προσέγγιση της συμπεριφοράς του φυσικού αυτού φαινομένου, καθώς και διαπιστώθηκαν οι συνέπειες της ενέργειάς του. Στο τρίτο κεφάλαιο, έγινε μία συμπυκνωμένη παρουσίαση της θεωρητικής προσέγγισης των γραμμών μεταφοράς και δόθηκαν βασικά στοιχεία της θεωρίας για την μοντελόποίησή τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάστηκαν τα βασικά θεωρητικά στοιχεία για την μοντελοποίηση των πυλώνων και την επίδραση των κεραυνικών πληγμάτων σε αυτούς. Στο πέμπτο κεφάλαιο, δόθηκαν γενικές πληροφορίες για την ιστορία, την χρησιμότητα, την κατασκευή και τον έλεγχο των σωληναγωγών μεταφοράς αγαθών, που παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο πρωτίστως στην παγκόσμια βιομηχανία πετρελαίου και ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο, πραγματοποιήθηκε μια παρουσίαση των βασικών δομών και δυνατοτήτων του προγράμματος που χρησιμοποιήθηκε για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας, του ATP-EMTP. Το κεφάλαιο επτά που ακολούθησε, αποτελεί τον πυρήνα αυτής της διπλωματικής εργασίας, καθώς σε αυτό περιγράφηκαν αναλυτικά τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση όλων των συνιστωσών της διάταξης, δόθηκαν αναλυτικές πληροφορίες για τον τρόπο υπολογισμού των μοντέλων αυτών αλλά και για την ενσωμάτωσή τους στο πρόγραμμα ATP-Draw του EMTP. Πιο συγκεκριμένα στο έβδομο κεφάλαιο περιέχονται τα εξής: Πρωταρχικά, δόθηκαν τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας Heidler που εξομοίωσε το σήμα του κεραυνού, μαζί με όλες τις παραμέτρους για την ενσωμάτωση του μοντέλου στο πρόγραμμα. Ακολούθως, έγινε αναλυτική παρουσίαση της γραμμής μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας των 400kV διπλού κυκλώματος, του ελληνικού ΣΗΕ. Υπολογίστηκαν όλα τα χαρακτηριστικά της γραμμής, συμπεριλαμβανομένου των μέσων υψών και των εμπεδήσεων προσαρμογής που της αντιστοιχούν, και παρουσιάστηκε αναλυτικά η ενσωμάτωση όλων των παραμέτρων της γραμμής στο πρόγραμμα της εξομοίωσης. Έπειτα, έγινε πλήρης ανάλυση του χρησιμοποιηθέντος μοντέλου για την εξομοίωση των πυλώνων της γραμμής και παρατέθηκαν τα χαρακτηριστικά που επιβάλλεται αυτό να πληροί. Ακόμη, εξετάστηκαν οι πιθανές προσεγγίσεις για την μοντελοποίηση της γείωσης των πυλώνων και επιλέχθηκε η χρήση της γείωσης ωμικού χαρακτήρα ως πιο γενικής. Τόσο για το μοντέλο του πυλώνα, όσο και για εκείνο της γείωσής του, δόθηκε με λεπτομέρια η εικόνα ενσωμάτωσής τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης. Μετέπειτα, παρουσιάστηκε το μοντέλο εξομοίωσης του υπέργειου αγωγού μεταφοράς υδρογονανθράκων (φυσικού αερίου/πετρελαίου), υπολογίστηκαν οι ηλέκτρικές του παράμετροι και αποτυπώθηκε η ενσωμάτωσή τους στο EMTP. Αμέσως μετά εξετάστηκε ίσως το πιό σημαντικό και δύσκολο κομμάτι της παρούσας διπλωματικής εργασίας, που δεν ήταν άλλο από την εξακρίβωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της γραμμής των 400kV και του παρακείμενου αγωγού μεταφοράς υδρογονανθράκων. Στο κομμάτι αυτό, διαπιστώθηκε η ύπαρξη των εξής τριών συνιστωσών αλληλεπίδρασης: χωρητική, επαγωγική και ωμική. Και για τις τρείς αυτές συνιστώσες της αλληλεπίδρασης του συστήματος γραμμής-αγωγού ακολούθησε εις βάθος ανάλυση του τρόπου υπολογισμού τους, των παραγόμενων αποτελεσμάτων και της ενσωμάτωσής τους στη διάταξη της εξομοίωσης. Επιπρόσθετα, στο σημείο αυτό δόθηκαν και γενικότερες αριθμητικές πληροφορίες που αφορούν το υπο εξομοίωση σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των επιλογών του ερευνητή σχετικά με τις προσεγγίσεις της εξομοίωσης. Κλείνοντας το κεφάλαιο επτά, παρουσιάστηκε με σαφήνεια ο τρόπος ενσωμάτωσης στο πρόγραμμα των τριών συνιστωσών αλληλεπίδρασης του συστήματος γραμμής-αγωγού, μία προς μία, αλλά και συνολικά. Η συνολική αυτή αποτύπωση εμφάνισε και την δομική μονάδα του κυκλωματικού ισοδύναμου της διάταξης, η οποία αποτέλεσε τον θεμέλιο λίθο της όλης εξομοίωσης. Τέλος, η παρούσα διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το όγδοο κεφάλαιο. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται παράθεση των αποτελεσμάτων της έρευνας για την επαγόμενη τάση πάνω σε έναν αγωγό μεταφοράς φυσικού αερίου/πετρελαίου από παρακείμενη γραμμή μεταφοράς Υψηλής Τάσης, η οποία υφίσταται κεραυνικό πλήγμα. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων περιλαμβάνει όλα τα αριθμητικά αποτελέσματα αλλά και τις αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις για τις επαγόμενες τάσεις, πάνω στον αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, αλλά και στους πυλώνες και τις φάσεις της γραμμής που δέχεται το κεραυνικό πλήγμα. Κλείνοντας το τελευταίο κεφάλαιο, διατυπώνεται σειρά παρατηρήσεων επί των αποτελεσμάτων και γίνεται απόπειρα εξαγωγής κάποιων συμπερασμάτων από την όλη μελέτη. Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε πως ο παραλληλισμός γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Υ/Τ και αγωγών μεταφοράς υδρογονανθράκων δημιουργεί ένα σύστημα με έντονη αλληλεπίδραση κάτω από προϋποθέσεις. Οι τάσεις και τα ρεύματα που υφίστανται επί της γραμμής, ειδικά σε περιπτώσεις έντονων σφαλμάτων και κεραυνικών πληγμάτων, έχουν ως αποτέλεσμα την ηλεκτρομαγνητική και ηλεκτροστατική σύζευξη γραμμής και αγωγού. Προϊόν της σύζευξης αυτής είναι η επαγόμενη τάση στον αγωγό μεταφοράς υδρογονανθράκων, η οποία σε κατάλληλες συνθήκες μπορεί να καταστεί επικίνδυνη, τόσο για τον άνθρωπο, όσο και για την ασφάλεια του ίδιου του αγωγού. / Over the last few decades, a huge growth on energy demands for all consuming categories is observed in a global scale. The giant growth of overall global industry, the development of former developing countries such as China, and India, etc at a rapid pace, the increase of the planet’s total population and its overall living standard has led to an exponential growth of the planet’s energy needs. To satisfy those energy needs, huge projects have been realised worldwide, in order to maximise the effisient use of fuel and other natural energy resources, as well as their fast and secure transport from their mining and refinery points to the big consumption centres. Within this framework, the gas/petroleum pipeline industry has flourished for the past twenty years. At the same time, the electrical power industry has known similar, if not greater, growth. For a variety of reasons, the development of those two industries is significantly connected and they are following, systematically common energy routes. As a result, the selection of comon right-of-ways for the infrastructure of both the gas/oil pipeline and power industry is a common practise-if not the rule. Therefore, the situations of parallelism, oblique approach and crossing between High Voltage (or even Ultra High Voltage) transmission lines and gas/petroleum pipelines –either above or underground– have quite frequently happened. In those cases, the electromagnetic influence on the oil/gas pipeline near the transmission line becomes increasingly significant. The purpose of this diploma thesis is the study of the above stated effect of a High Voltage transmission line on a nearby above ground gas/oil pipeline, under lightning conditions affecting the transmission line itself. Initially, during the first six chapters a theoretical approach was attempted and information was displayed concerning each basic part, that the total –under study– layout consists of. In the first chapter, general information for the various categories of overvoltages were given. In the second chapter, the basic characteristics of lightning were presented, its behaviour as a natural phenomenon was approched and its disastrous effects were established. During the third chapter, a theoretical approach of transmission lines was attempted and basic elements of transmission line modeling theory were given. In chapter four, basic theoretical data concerning the modeling of transmission line towers were presented and the effect of lightning on them was examined. In the fifth chapter, general information about the history, use, construction and control of pipelines were presented. The vital role this infrastructure plays in the global gas/oil and power industry was ascertained. During the sixth chapter, basic structures and key sub-programs of the ATP-EMTP (ElectoMagnetic Transient Program) were presented, along with the capabilities of this powerful software tool, that was used to perform the simulations required for this diploma thesis. Chapter seven that followed next, represents the very core of this thesis. In that chapter, a detailed description of the models used to simulate the transmission line-oil/gas pipeline layout, was presented and specific information concerning the calculations of model parameters and their implementation in ATP-Draw of EMTP was given. More specificly, the seventh chapter of the thesis contains the following: First of all, the characteristics of the Heidler generator -used to simulate the lightning strike- were given, along with all the respective parameters for its implementation in the EMTP. After that, a detailed presentation of the double-circuit 400kV transmission power line of the Greek Power Network was made. All its parameters were calculated, including average heights and matching impdendances, and their implementation in the EMTP was specified. Next, the line’s tower model that was used in the simulation was analysed and its specific critiria that needed to be met were indicated. Different possible approaches for the modeling of the tower’s footing groung were also examined, resulting in the selection of the resistive grounding electrode as the most general case. For both the tower model and the footing resistance, the implementation in the EMTP was made clear. Afterwards, the simulation model of the aboveground gas/oil pipeline was presented, its parameters were calculated and their implementation in the EMTP was depicted. Right after that, the most significant and at the same time difficult part of this study was examined: the verification of the coupling between the 400kV transmission line and the nearby gas/oil pipeline. In this part of the study, the existance of the following three coupling types was identified: capacitive, inductive and resistive coupling. For all three types of coupling between the transmission line and the pipeline, an in-depth calculative analysis was carried out, followed by representation of the produced results and their implementation in the program. Furthermore, general numerical data concerning the simulation was presented at this point, along with the researcher’s selected approximations for modeling the transmission line-gas/oil pipeline layout. Closing this chapter, the implementation in the EMTP of all three types of coupling was illustrated, both in overall and one-by-one. This overall illustration of the layout’s coupling, revealed the basic structure block of the simulation. This diploma thesis is completed in the eighth and final chapter. In that part of the study, the final simulation results are presented, concerning the induced voltage on the gas/oil pipeline from the nearby transmission power line that suffers a lightning strike. This presentation includes all numerical data and respective graphs (graphic displays) of the induced voltages on the pipeline itself, as well as the towers and the 6 phases of the transmission line. Winding up the last chapter, a series of observations on the results is made, and an attempt to reach some conclusions based on the specific study is carried out. More specifically, it was established that situations of parallelism, oblique approach and crossing between High Voltage (or even Ultra High Voltage) transmission lines and gas/petroleum pipelines –either above or underground– can create a system prone to intense coupling under certain circumstances. Strong currents and voltages circulating on the transmission line, especially during faulty and lightning conditions, result in the electromagnetic and electrostatic coupling between the line and the nearby gas/oil pipeline. Direct result of this coupling is the induced voltage upon the gas/oil pipeline, which can -under proper conditions- become a hazard for both the human factor and the safety of the pipeline itself.

Στην εργασία αυτή διερευνάται η δυναμική απόκριση κρυογενικών δεξαμενών υγροποιημένου φυσικού αερίου υποκείμενων σε δράση σεισμού. Επειδή οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούν κρίσιμα στοιχεία για τη λειτουργία ενός συστήματος διανομής φυσικού αερίου και επειδή ενδεχόμενη καταστροφική αστοχία τους θα είχε δυσβάστακτες κοινωνικές επιπτώσεις, ιδιαίτερα αυστηρές απαιτήσεις ισχύουν σχετικά με τον αντισεισμικό σχεδιασμό τους. Για το σχεδιασμό έναντι σεισμού προδιαγράφονται συνήθως ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 500 ετών, κατά το οποίο οι δεξαμενές απαιτείται να παραμένουν πλήρως λειτουργικές, και ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 5000 έως 10000 ετών, κατά το οποίο απαιτείται η εξασφάλιση της ασφαλούς διακοπής της λειτουργίας των δεξαμενών, ενώ ελάχιστη μόνο βλάβη είναι αποδεκτή στα δομικά στοιχεία τους. Οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούνται από δύο κελύφη: Ένα εξωτερικό κυλινδρικό κέλυφος από προεντεταμένο σκυρόδεμα με θολωτή στέγη από οπλισμένο σκυρόδεμα και ένα εσωτερικό κέλυφος από κρυογενικό χάλυβα, εντός του οποίου αποθηκεύεται το προϊόν. Τα δύο κελύφη εδράζονται σε κοινή πλάκα βάσης. Στην εργασία αυτή εξετάζονται δύο εναλλακτικοί τρόποι έδρασης της πλάκας βάσης: α) απλή έδραση επί του διαμορφωμένου εδάφους και β) εφαρμογή κάποιας διάταξης σεισμικής μόνωσης επί της οποίας εδράζεται η πλάκα βάσης. Ειδικότερα, εξετάζονται τα ακόλουθα συστήματα σεισμικής μόνωσης: α) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με ελαστομερές υψηλής απόσβεσης, β) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μόλυβδου, και γ) μόνωση με συνδυασμό γραμμικών ελαστομεταλλικών εφεδράνων και μη γραμμικών αποσβεστήρων. Στις ιδιαιτερότητες του δυναμικού προβλήματος περιλαμβάνονται, εκτός από την επίδραση της μόνωσης, η δυναμική αλληλεπίδραση των δύο κελυφών, η δυναμική αλληλεπίδραση υγρού-δεξαμενής, ο κυματισμός της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού και η δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-δεξαμενής. Τα φαινόμενα αυτά λαμβάνονται υπόψη στην ανάλυση. Για τη μελέτη του κυματισμού της ελεύθερης επιφάνειας χρησιμοποιείται η γραμμική θεωρία κυμάτων. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης υγρού-δεξαμενής εφαρμόζεται μια προσέγγιση τύπου Lagrange με χρήση πεπερασμένων στοιχείων υγρού. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής χρησιμοποιούνται συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης. Επίσης, συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των συστημάτων μόνωσης. Τα χαρακτηριστικά των παραπάνω συγκεντρωμένων στοιχείων για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και των συστημάτων μόνωσης επιλέγονται με βάση ρεαλιστικές υποθέσεις για τις δυναμικές ιδιότητες του εδάφους θεμελίωσης και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων μόνωσης. Δύο περιπτώσεις υφιστάμενων δεξαμενών υιοθετούνται προς ανάλυση. Οι δύο δεξαμενές διαφέρουν κυρίως ως προς τη χωρητικότητα και το λόγο ύψους προς ακτίνα. Και οι δύο δεξαμενές έχουν μελετηθεί και κατασκευαστεί χωρίς σεισμική μόνωση. Ένα συνθετικό επιταχυνσιογράφημα συμβατό με το φάσμα απόκρισης σχεδιασμού του Ευροκώδικα 8 για λόγο απόσβεσης 5%, για την αντίστοιχη κατηγορία εδάφους και για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση λίγο μεγαλύτερη από αυτή για την οποία είναι σχεδιασμένες οι δεξαμενές περιγράφει τη διέγερση της κατασκευής στην οριζόντια διεύθυνση. Για την ανάλυση αναπτύσσεται ένα συνολικό παραμετρικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων το οποίο περιλαμβάνει τα δύο κελύφη και το αποθηκευμένο υγρό. Στο προσομοίωμα συμπεριλαμβάνονται, ανάλογα με την περίπτωση που κάθε φορά αναλύεται, τα κατάλληλα στοιχεία για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής ή των διαφόρων συστημάτων μόνωσης. Το προσομοίωμα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των ιδιομορφών και την πραγματοποίηση δυναμικών γραμμικών και μη γραμμικών αναλύσεων με ολοκλήρωση στο πεδίο του χρόνου. Οι μη γραμμικές αναλύσεις είναι αναγκαίες για να ληφθεί υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η έντονα μη γραμμική συμπεριφορά των συστημάτων μόνωσης. Στην περίπτωση αυτή η μη γραμμικότητα είναι συγκεντρωμένη στα στοιχεία που προσομοιώνουν τη μόνωση ενώ για την υπόλοιπη κατασκευή γίνεται σε κάθε περίπτωση η παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς. Η παραδοχή αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι για τις δεξαμενές αυτού του τύπου η αποδεκτή βλάβη, και επομένως μη γραμμικότητα στη συμπεριφορά, των δομικών στοιχείων είναι ελάχιστη. Παρουσιάζονται επιλεγμένα αποτελέσματα των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν με χρήση του προσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα αυτά αναφέρονται κυρίως στην τέμνουσα βάσης, τη ροπή ανατροπής, τις οριζόντιες μετακινήσεις της κατασκευής σε διάφορες στάθμες και το ύψος του κυματισμού. Έμφαση δίνεται στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και της σεισμική μόνωσης στα ανωτέρω μεγέθη. Η εργασία τελειώνει με γενικά συμπεράσματα. / In the present work the dynamic response of liquefied natural gas cryogenic tanks subjected to earthquake action is investigated. Since these tanks are critical elements for the function of a natural gas distribution system and because a potential failure of them could lead to a major disaster, very severe requirements concerning the seismic design of these tanks are imposed. For the design against earthquake action two seismic events are generally considered: an event with a mean return period of 475 years during which the tanks are expected to remain fully operational and an event with a mean return period of the order of 5000 to 1000 years during which the safe shut down of the tanks is to be ensured, while minimum damage is accepted at the structural parts of the tanks. The type of tanks under consideration is constituted of two shells: an outer one made of prestressed concrete and an inner one made of cryogenic steel in which the product is stored. Both shells rest on a common base slab. In these work two alternative ways for the support of this slab are examined: a) the slab lays directly on the ground and b) the slab lays on a number of devices which provide seismic isolation. The following isolation systems are examined. a) high damping rubber bearings, b) lead core rubber bearings and c) low damping rubber bearing in conjunction with non-linear viscous dampers. The examined structural dynamic problem is characterised by certain particularities, besides the one of the implementation of an isolation system. The most important of them are sloshing of the free surface, dynamic fluid-structure interaction, dynamic soil-structure interaction and interaction between the inner and outer shell. These phenomena are taken into consideration in the preformed analyses. For the modeling of the free surface effect the realistic assumption of small wave height is made and the linear wave theory is employed. For the modeling of the fluid-structure interaction a Lagrangian approach is applied using finite elements for the modeling of the liquid and the solid domain. The soil-structure interaction is simulated by using concentrated stiffness and damping elements. Concentrated stiffness and damping elements are used for the modeling of the isolation systems as well. Two cases of existing tanks are adopted for analysis. The two tanks differ mainly in capacity and in the height to radius ratio. Both tanks are designed and constructed without seismic isolation. A global parametric finite element model is developed for the analyses. In this model the appropriate elements are incorporated for the modeling of the soil-structure interaction and the seismic isolation system, depending on the analysed case. The model is used for the calculation of eigenmodes and eigenfrequencies and for performing linear and non-linear transient analyses in time domain. Non-linear analyses are necessary in order for the highly non-linear behavior of the isolation devices to be properly simulated. In these cases the non-linearity is concentrated at the elements which simulate the seismic isolation system while the rest of the structure is considered elastic in all cases. This consideration is justified by the fact that for these tanks the acceptable damage, and consequently non-linearity in the behavior of the structural part, is minimum. Selective results of the performed analyses are presented. These results refer mainly to base shear forces, overturning moments, horizontal displacements at different levels of the tank and sloshing heights. Emphasis is on the quantification of the impact of the soil-structure interaction and the implementation of the examined seismic isolation systems.

Οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης (Inductively Coupled Plasma Sources – ICP’s), παρέχουν πλάσμα υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων σε χαμηλή πίεση και έχουν ευρεία εφαρμογή στη σύγχρονη βιομηχανία ημιαγωγών και την κατεργασία επιφανειών. Σε πολύ χαμηλές πιέσεις, (~mTorr), οι εκκενώσεις πλάσματος παρουσιάζουν ιδιαίτερη συμπεριφορά όσον αφορά τη διείσδυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και την αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου: Η ανώμαλη επιδερμική διείσδυση (anomalous skin effect) και η συντονισμένη αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου όταν υπερτίθεται στατικό μαγνητικό πεδίο (resonant wave-particle interaction) είναι δύο φαινόμενα τυπικά σε αυτές τις εκκενώσεις. Η κατανόηση και μαθηματική ανάλυση αυτών των ιδιαίτερα περίπλοκων φαινομένων, ώστε να προσομοιωθούν με ακρίβεια αλλά και χωρίς χρονοβόρες υπολογιστικά διαδικασίες οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, αποτελεί μια σύγχρονη επιστημονική και υπολογιστική πρόκληση. Στα πλαίσια αυτά, στην παρούσα διατριβή τέθηκε ως στόχος η αξιοποίηση της υπάρχουσας επιστημονικής γνώσης στον τομέα της υπολογιστικής προσομοίωσης πλάσματος, για την ανάπτυξη ταχύτατων προσομοιώσεων των πηγών πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την εξαγωγή έγκυρων συμπερασμάτων: Η προσέγγιση αυτή συνίσταται στη διατύπωση υπόθεσης (μοντέλου), τον έλεγχό της σε σχέση με υπάρχοντα δεδομένα και την επαναδιατύπωσή της μέχρις ότου το μοντέλο να κριθεί επαρκές. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο πλάσματος βασισμένο στην υπόθεση ψευδουδετερότητας και αμφιπολικής διάχυσης των φορέων φορτίου, προκειμένου να προσομοιωθεί η ενισχυμένης μαγνητικής διαπερατότητας πηγή επαγωγικής ζεύξης MaPE–ICP. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίνονται με τα πειραματικά στοιχεία προηγούμενων ερευνητών για εκκενώσεις Αργού και εξετάζεται η ικανότητα του ρευστοδυναμικού μοντέλου να παρέχει μια στοιχειώδη ποσοτική περιγραφή πλάσματος επαγωγικής ζεύξης σε χαμηλή πίεση. Η αξιοπιστία του ρευστοδυναμικού μοντέλου εξελίσσεται περεταίρω, με την ενσωμάτωση μιας αποτελεσματικής αριθμητικής επίλυσης της κινητικής εξίσωσης Boltzmann για τα ηλεκτρόνια. Τα αποτελέσματα της υβριδικής προσομοίωσης για εκκένωση Αργού πίεσης 30 mTorr στον αντιδραστήρα MaPE–ICP συγκρίνονται τόσο με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα όσο και με τα προηγούμενα αποτελέσματα της ρευστοδυναμικής προσομοίωσης και εξετάζεται η βελτίωση της ποιοτικής συμφωνίας όσον αφορά την επίδραση των παραμέτρων με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο εκκενώσεων αίγλης τύπου ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) βασισμένο σε προκαθορισμένες οριακές συνθήκες για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Προσομοιώθηκε ένα διάκενο με πλάσμα Αργού σε πίεση 15 mTorr (μονοδιάστατο μοντέλο) και τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν έναντι αναλυτικής θεωρίας, πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης Particle In Cell/Monte Carlo (PIC/MC). Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα προσομοίωσης για μια εκκένωση Αργού σε πίεση 1 mTorr εντός κυλινδρικού αντιδραστήρα τύπου ECWR (δισδιάστατο μοντέλο), συγκρίνονται με τα αποτελέσματα προσομοίωσης και πειραματικά στοιχεία. Τέλος, το μοντέλο έχει επεκταθεί για να περιλάβει την διάδοση του πλάσματος που παράγεται από μια τυπική πηγή πλάσματος τύπου ECWR σε μια περιοχή διάχυσης. Τα αποτελέσματα για εκκένωση Αργού πίεσης 5 mTorr συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα ενός μοντέλου σφαιρικής διάχυσης πλάσματος και εν προκειμένω εξετάζεται η πλήρης επεκτασιμότητα του εισαχθέντος ρευστοδυναμικού μοντέλου ECWR σε διεργασίες πλάσματος. / Inductively Coupled Plasma Sources (ICP’s) are capable of producing high density-low pressure plasmas in a variety of applications for the semiconductor and material processing industry. In the mTorr range, ICP discharges exhibit an extraordinary behaviour concerning the electromagnetic field propagation and wave-particle interaction: Anomalous skin effect and resonant wave-particle interaction within a superimposed static magnetic field consist two of the most typical phenomena. The efficient comprehension and mathematical description of such a complex gas discharge in order to fast and accurately simulate ICP sources, is still a challenging task. Within this context, the thesis focuses on evaluating the existing scientific knowledge in plasma computational modeling in order to develop not only rapidly converging but reliable ICP simulations: The implementation methodology consists on formulating an hypothesis (model) and repetitively inquiring its accuracy by checking the simulation results against existing experimental and/or other simulation data. The continuation of the model re-formulation process depends on the accuracy of the simulation results. Initally a simulation of a Magnetic Pole Enhanced (MaPE)-ICP plasma source was developed, under the assumptions of plasma quasineutrality and ambipolar diffusion. The simulation results were checked against the experimental data of previous workers for Argon discharges and the ability of the model to provide an elementary quantitative description of low pressure ICP sources was scrutinized. The validity of the fluid model was enhanced with the incorporation of a time effective numerical solution of the Boltzmann transport equation for electrons. Simulation results of the hybrid model were compared to the previous fluid simulation results and existing experimental data, for a 30 mTorr Argon discharge in the MaPE–ICP reactor. The major improvements of the qualitative agreement in regard to the effect of parameters with particular interest are discussed. Moreover, a fluid model of ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) discharges, based on predefined boundary conditions for the electromagnetic field, was developed: The simulation results for a 15 mTorr Argon plasma within a slab (1-dimensional model) were checked against the particle in cell/Monte Carlo (PIC/MC) simulation results that can be found in the literature and also compared to the analytical theory and experimental data. In addition, the model was further developed to simulate realistic geometries as a cylindrical ECWR reactor (2-D) and the data were also compared to both simulation results and experimental data of other researchers. Finally, the model was extended in order to simulate plasma propagation from a typical ECWR plasma source to a diffusion region. The simulation results for an Argon plasma generated from a cylindrical ECWR source in a processing chamber at 5 mTorr were presented in order to verify the feasibility of model application in ECWR plasma processes.