Διδασκαλία Μαθημάτων

Εισαγωγή - Θερμοδυναμικά Συστήματα - Θερμοδυναμικές Διεργασίες - Μηδενικός Νόμος Θερμοδυναμικής - Αέρια & Ατμοί - Καταστατικές Εξισώσεις - Έργο & Θερμότητα - Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος (κλειστά & ανοικτά συστήματα) - Θερμοδοχεία - Θερμικές & Ψυκτικές Μηχανές - Αντιστρεπτές & μή Αντιστρεπτές Διεργασίες - Ο Κύκλος CARNOT - Θερμοδυναμική Κλίμακα Θερμοκρασιών - Θερμοκρασιακή Κλίμακα Τελείου Αερίου - Εντροπία - Ανισότητα του CLAUSIUS - Σχέσεις του GIBBS - Η Μεταβολή της Εντροπίας σε Κλειστό Σύστημα - Παραγωγή Εντροπίας - Η Αρχή Αύξησης της Εντροπίας - Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος (κλειστά & ανοικτά συστήματα) - Αναντιστρεπτότητα & Διαθεσιμότητα - Συνάρτηση HELMHOLTZ (Ελεύθερη Ενέργεια) - Συνάρτηση GIBBS (Ελεύθερη Ενθαλπία) - Εξισώσεις MAXWELL - Εξισώσεις Tds - Θερμοδυναμική Δύο Φάσεων - Εξίσωση CLAUSIUS – CLAPEYRON - Διάγραμμα T-s Νερού - Διάγραμμα h-s Νερού (Διάγραμμα MOLLIER) - Πίνακες Ιδιοτήτων - Ισεντροπικοί Βαθμοί απόδοσης - Θερμοδυναμικοί Κύκλοι Ισχύος - Κύκλος RANKINE - Κύκλοι OTTO & DIESEL.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Ιστορική εξέλιξη των εμβολοφόρων Μηχανών Εσωτερικής Καύσεως (ΜΕΚ). Ιστορική εξέλιξη των Αεριοστροβίλων. Γενική κατάταξη των ΜΕΚ. Χρήση των πετρελαιοκινητήρων. Χρήση των βενζινοκινητήρων. Βασικές αρχές λειτουργίας αεριοστροβίλων. Αντλίες. Υδροστρόβιλοι. Έλικες πλοίων. Πρόωση με δέσμη νερού (water jet propulsion). Υδραυλικοί σύνδεσμοι (συμπλέκτες).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ

Συμπιεστές (Compressors). Είδη συμπιεστών. Ο ακτινικός συμπιεστής. Ο αξονικός συμπιεστής. Ο στρόβιλος (Turbine). Βασικές αρχές λειτουργίας στροβίλων. Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Στρόβιλος ισχύος. Ο θάλαμος καύσεως (Combustion chamber ή combustor). Τύποι θαλάμων καύσεως. Η λειτουργία του θαλάμου καύσεως. Βασικές παράμετροι λειτουργίας των θαλάμων καύσεως. Καταπόνηση των θαλάμων καύσεως. Έγχυση του καυσίμου. Μέθοδοι μειώσεως εκπομπών ρύπων σε αεριοστροβίλους.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ

Ενεργειακός ισολογισμός. Η περίπτωση του ασυμπίεστου ρευστού. Συστήματα συντεταγμένων και τρίγωνα ταχυτήτων. Η ανάπτυξη της ροπής στην πτερωτή στροβιλομηχανής. Η περίπτωση της μερικής πτερωτής. Μερική πτερωτή στροβίλου. Μερική πτερωτή εργοστροβιλομηχανής. Εφαρμογή σε πτερωτές υδροδυναμικών μηχανών πλήρως ακτινικής ροής. Πτερωτή αντλίας πλήρως ακτινικής ροής. Δρομέας υδροστροβίλου πλήρως ακτινικής ροής. Άεργη ροή. Μηδενική αναπτυσσόμενη ροπή – διατήρηση της συστροφής. Ο ακτινικός διαχύτης και η αρχή λειτουργίας του σπειροειδούς κελύφους. Ακίνητα πτερύγια – άεργη μεταβολή της συστροφής μέσα από τη στεφάνη οδηγητικών πτερυγίων υδροστροβίλου. Εφαρμογή των σχέσεων μερικής πτερωτής σε πτερωτές αξονικής ροής. Η πτερωτή αντλίας αξονικής ροής. Η πτερωτή ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. Η διαμόρφωση των στροβιλομηχανών. Η διαμόρφωση της μεσημβρινής τομής μιας πτερωτής αντλίας. Η διαμόρφωση των υδροστροβίλων τύπου Francis. Πολυβάθμιες στροβιλομηχανές. Ισεντροπικοί βαθμοί αποδόσεως συμπιεστή, στροβίλου και ακροφυσίου. Αδιάστατοι παράμετροι σχεδιάσεως των στροβιλομηχανών. Ο συντελεστής παροχής (flow coefficient). Ο συντελεστής φορτίσεως ή έργου (load coefficient ή work coefficient ή loading factor). Ο βαθμός αντιδράσεως (degree of reaction). Βαθμός αντιδράσεως σε στροβιλομηχανές ασυμπίεστου ρευστού. Βαθμός αντιδράσεως σε βαθμίδα στροβίλου αξονικής ροής. Βαθμός αντιδράσεως σε βαθμίδα συμπιεστή αξονικής ροής. Ο συντελεστής διαχύσεως πτερυγώσεως (diffusion factor).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΚΥΚΛΟΙ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

Βασικοί κύκλοι αεριοστροβίλων παραγωγής ισχύος (shaft-power gas turbines). Ιδανικός πρότυπος βασικός κύκλος αέρα (ideal air standard basic cycle) (κύκλος Joule - Brayton). Μη ιδανικός πρότυπος βασικός κύκλος αέρα. Βασικός κύκλος πραγματικού εργαζόμενου μέσου. Βασικός ισοδύναμος κύκλος αέρα. Τροποποιημένοι κύκλοι αεριοστροβίλων. Αεριοστρόβιλος με προθέρμανση του συμπιεσμένου αέρα. Αεριοστρόβιλος με έγχυση ατμού. Αεριοστρόβιλος με ψεκασμό νερού και προθερμαντήρα. Αεριοστρόβιλος με ενδιάμεση ψύξη του αέρα. Αεριοστρόβιλος με αναθέρμανση των καυσαερίων. Αεριοστρόβιλος με ενδιάμεση ψύξη, προθέρμανση και αναθέρμανση των καυσαερίων. Αεριοστρόβιλος κλειστού κυκλώματος. Διαγράμματα λειτουργίας. Χάρτης επιδόσεων συμπιεστή. Χάρτης επιδόσεων στροβίλου. Χαρακτηριστικές καμπύλες ισχύος και ροπής αεριοστροβίλου.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΤΛΙΕΣ ΑΚΤΙΝΙΚΗΣ ΡΟΗΣ (ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΚΕΣ)

Τύποι αντλιών ακτινικής ροής. Μονοβάθμιες αντλίες μονής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος (single-stage, single-entry pumps with volute casing). Μονοβάθμιες αντλίες διπλής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος (single-stage, double-entry pumps with volute casing). Πολυβάθμιες αντλίες μονής εισόδου (multistage, single-entry pumps). Αντλίες με ερμητική στεγανοποίηση. Υποβρύχιες αντλίες (submersible pumps). Βασικά τμήματα μονοβάθμιας φυγοκεντρικής αντλίας απλής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος. Γενικές εξισώσεις. Το ολικό ύψος της αντλίας. Ισχείς. Τρίγωνα ταχυτήτων. Βέλτιστη (optimum) παροχή. Ιδεατή και θεωρητική χαρακτηριστική της πτερωτής. Αδιάστατα μεγέθη της αντλίας. Υδραυλικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας. Ογκομετρικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας. Μηχανικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας. Ολικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας. Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας της αντλίας. Μετατροπή των χαρακτηριστικών καμπυλών αντλίας για διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής. Ιδιαίτερες καταστάσεις λειτουργίας της αντλίας. Η αντλητική εγκατάσταση. Παράλληλη σύνδεση αντλιών. Εν σειρά σύνδεση αντλιών.

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στο Βέλτιστο Σχεδιασμό (Optimum Design).

Κεφάλαιο 2: Παραμετρικές Καμπύλες και Επιφάνειες.

Παραμετρική σχεδίαση καμπυλών και επιφανειών. Πεπλεγμένη και παραμετρική μορφή καμπυλών. Αναλογία μεταξύ παραμετρικής μορφής καμπύλης και τροχιάς σωματιδίου. Τριδιάστατες και πολυδιάστατες παραμετρικές καμπύλες. Πεπλεγμένη και παραμετρική μορφή επιφανειών. Υπολογισμός καθέτου διανύσματος σε παραμετρική επιφάνεια. Σύγκριση πεπλεγμένης και παραμετρικής απεικόνισης. Καμπύλες και επιφάνειες Bézier. Η χρήση πολυωνύμων για τον παραμετρικό ορισμό καμπυλών τυχαίας μορφής. Καμπύλες Bézier. Η γεωμετρική έννοια των καμπυλών Bézier. Ιδιότητες πολυωνύμων Bernstein. Υπολογισμός παραγώγων των καμπυλών Bézier. Ο αλγόριθμος deCasteljau. Ιδιότητες των καμπυλών Bézier. Ρητές (Rational) καμπύλες Bézier. Η χρήση ομογενών συντεταγμένων στις ρητές καμπύλες Bézier. Πολυωνυμικές επιφάνειες Bézier. Ρητές επιφάνειες Bézier. Τμηματικές συναρτήσεις. Συναρτήσεις βάσης B-spline. Κύριες ιδιότητες συναρτήσεων βάσης B-spline. Παράδειγμα κατασκευής συναρτήσεων βάσης B-spline. Διανύσματα κόμβων. Βιβλιογραφία Κεφαλαίου.

Κεφάλαιο 3: Αρχές Βέλτιστου Σχεδιασμού.

Η αξία της σχεδίασης. Μεταβλητές σχεδίασης – design variables [ανεξάρτητες μεταβλητές, εξαρτημένες μεταβλητές, μεταβλητές κατάστασης, μεταβλητές λειτουργίας, εξωτερικές ή περιβαλλοντικές μεταβλητές]. Είδη περιορισμών. Διατύπωση του προβλήματος Βέλτιστου Σχεδιασμού. Γενικές παρατηρήσεις. Οι δυσκολίες της εύρεσης της βέλτιστης λύσης. Μέθοδοι Μονοκριτήριας Βελτιστοποίησης. Non-derivative methods. Η μέθοδος της Τυχαίας Αναζήτησης. Η μέθοδος του Τυχαίου Περιπάτου. Η Προσομοιωμένη Ανόπτηση. Η μέθοδος Tabu Search. Οι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι.

Κεφάλαιο 4: Εισαγωγή στους Εξελικτικούς Αλγορίθμους (Evolutionary Algorithms - EAs).

Σύντομη ιστορική αναδρομή. Σύντομο ιστορικό της γενετικής. Ορολογία δανεισμένη από τη Βιολογία. Αναλυτική περιγραφή λειτουργίας Εξελικτικών Αλγορίθμων. Επιχιασμός. Μετάλλαξη. Εξελικτικοί αλγόριθμοι: Γιατί συγκλίνουν; Περιγράμματα (schemata). Οι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους  βελτιστοποίησης. Εφαρμογές των Εξελικτικών Αλγορίθμων. Βιβλιογραφία Κεφαλαίου.

Κεφάλαιο 5: Τελεστές Εξελικτικών Αλγορίθμων.

Τυπικός Γενετικός Αλγόριθμος (Γ.Α.) με κωδικοποίηση πραγματικών αριθμών. Τελεστές Επιχιασμού. Τελεστές Μετάλλαξης. Μέθοδοι Επιλογής. Η έννοια της πίεσης επιλογής (selective pressure). Proportional Selection. Tournament Selection. Linear Ranking Selection. (μ,λ) και (μ+λ) Selection. Σύγκριση τελεστών επιλογής. Συνδυασμός τελεστών επιλογής με τελεστές επιχιασμού και μετάλλαξης στα διαφορετικά είδη Εξελικτικών Αλγορίθμων. Διαχείριση των περιορισμών. Δυαδική και πραγματική κωδικοποίηση.

Κεφάλαιο 6: Οι Εξελικτικές Στρατηγικές (Ε.Σ.).

Ιστορική αναδρομή. Αρχική μορφή Ε.Σ. Εξέλιξη των Ε.Σ. (μ+λ) και (μ, λ) Εξελικτικές Στρατηγικές. Σύγκριση Εξελικτικών Στρατηγικών και Γενετικών Αλγορίθμων. Αλληλεπίδραση Εξελικτικών Στρατηγικών και Γενετικών Αλγορίθμων

Κεφάλαιο 7: Ο Διαφορικός Εξελικτικός (Δ.Ε.) αλγόριθμος.

Γενικά χαρακτηριστικά. Τελεστής μετάλλαξης. Τελεστής επιχιασμού. Τελεστής επιλογής. Τροποποιημένο σχήμα δότη.

Κεφάλαιο 8: Εξελικτικοί Αλγόριθμοι για Πολυκριτήρια Προβλήματα Βελτιστοποίησης (Multi-Objective Optimization problems).

Γενικά. Ορισμός προβλήματος πολυκριτήριας βελτιστοποίησης. Single και Multi-Objective Optimization. Κατηγορίες μεθόδων. Το μέτωπο Pareto. Μέθοδοι βελτιστοποίησης τύπου «μετά». Χρήση Εξελικτικών Αλγορίθμων σε προβλήματα πολυκριτήριας βελτιστοποίησης. Ιστορική αναδρομή. Vector Evaluated Genetic Algorithm. Non –Dominated Sorting Genetic Algorithm.

Κεφάλαιο 9: Δομημένοι πληθυσμοί και Παράλληλοι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι (PEAs).

Γενικά. Παράλληλη Αρχιτεκτονική Υπολογιστών. Ιστορική αναδρομή. Panmictic EAs. Structured EAs. Hybrid PEAs. Αναμενόμενα πλεονεκτήματα των PEAs.

Κεφάλαιο 10: Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα.

Κεφάλαιο 11: Συνδυασμός Εξελικτικών Αλγορίθμων & Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων.

Κεφάλαιο 12: Case Studies

Παραμετρική σχεδίαση αεραγωγού τύπου S (S-Duct). Παραμετρική σχεδίαση πτερυγίων ανεμογεννητριών [Πλήμνη και κέλυφος, Πτερύγια, Πτερωτή]. Εφαρμογή Εξελικτικού Αλγορίθμου για τη βέλτιστη κατασκευή του Προγράμματος Μαθημάτων Πανεπιστημιακής Σχολής. Χρήση Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων ως προσσεγιστικά μοντέλα σε Διαφορικό Εξελικτικό Αλγόριθμο. Βιβλιογραφία Κεφαλαίου.