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        一種與采油平臺(tái)結(jié)合的新型波浪發(fā)電裝置?

        2016-03-24 09:18:57范海文燕浩然趙環(huán)宇楊萬(wàn)昌金吉元
        關(guān)鍵詞:平臺(tái)數(shù)值模擬發(fā)電

        劉 臻, 范海文, 燕浩然, 趙環(huán)宇, 楊萬(wàn)昌, 金吉元

        (1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

        山東 青島 266100;3.韓國(guó)船舶與海洋工程研究院,大田,韓國(guó) 305343)

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        一種與采油平臺(tái)結(jié)合的新型波浪發(fā)電裝置?

        劉臻1,2, 范海文1, 燕浩然1, 趙環(huán)宇1, 楊萬(wàn)昌1, 金吉元3

        (1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

        山東 青島 266100;3.韓國(guó)船舶與海洋工程研究院,大田,韓國(guó) 305343)

        摘要:本文基于前期對(duì)振蕩浮子式波能發(fā)電裝置的研究,提出一種與采油平臺(tái)結(jié)合的新型波浪能發(fā)電裝置,并采用水動(dòng)力學(xué)軟件Ansys-AQWA進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算了不同波況條件下的發(fā)電裝置受力與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。分析發(fā)電裝置穩(wěn)定性和輸出功率表明:在振蕩浮子與采油平臺(tái)導(dǎo)管架相結(jié)合的狀態(tài)下,裝置運(yùn)行正常,平臺(tái)穩(wěn)定,波能利用率并未受到顯著影響,初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。通過頻域計(jì)算,發(fā)現(xiàn)裝置發(fā)電理想波頻區(qū)間為1.2~2.0Hz;通過時(shí)域計(jì)算,發(fā)現(xiàn)浮子垂向平均最大位移、最大速度、最大加速度與波浪波高成正相關(guān),垂向平均最大加速度與波浪周期成負(fù)相關(guān),垂向平均最大波浪力與波浪周期成正相關(guān),上述成果將為后續(xù)研究與試驗(yàn)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬; AQWA; 波浪能; 發(fā)電; 平臺(tái)

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        隨著社會(huì)發(fā)展,能源短缺已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的問題。化石能源日益減少,而人類對(duì)能源的需求卻在不斷增加[1]。波浪能作為海洋能的一種,具有能量轉(zhuǎn)換利用方式簡(jiǎn)單、能流密度大、分布廣泛等特點(diǎn)[2]。目前世界上較著名的波能發(fā)電裝置包括:瑞典開發(fā)的Floating Wave Power[3]、丹麥的Wave Dragon[4]以及英國(guó)的Pelamis[5]。此前海洋能開發(fā)利用示范工程大多為獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu),尚未有與海工構(gòu)筑物相結(jié)合的案例,只在國(guó)內(nèi)外一些研究方案和設(shè)計(jì)構(gòu)思中有一些借鑒思路:如韓國(guó)的Uldolmok潮流電站利用跨海大橋結(jié)構(gòu)兼作潮流能水輪機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的方案、中國(guó)海洋大學(xué)提出的一種利用沉箱式防波堤兼作岸式波力發(fā)電裝置的構(gòu)思等。本文針對(duì)于海洋能中研究最為廣泛的波浪能以及采油平臺(tái)廣泛分布的特點(diǎn),提出了一種與采油導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)合的波能發(fā)電裝置新設(shè)計(jì)構(gòu)思,在鮮有借鑒經(jīng)驗(yàn)情況下對(duì)裝置進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析在多種波況狀態(tài)下波能發(fā)電裝置在導(dǎo)管架影響下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、波能發(fā)電裝置工作性能及波能吸收效果,驗(yàn)證了波能發(fā)電浮子工作運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可行性。

        1導(dǎo)管架平臺(tái)與波能發(fā)電裝置

        1.1平臺(tái)導(dǎo)管架形式及設(shè)計(jì)參數(shù)

        導(dǎo)管架整體設(shè)計(jì)構(gòu)思建立在新建導(dǎo)管架基礎(chǔ)之上,對(duì)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,導(dǎo)管架整體預(yù)制投放。采用平臺(tái)結(jié)構(gòu)為儲(chǔ)油設(shè)施,通過棧橋與生活區(qū)相連,波能裝置于平臺(tái)甲板下方自由水面附近,在盡量不影響生活區(qū)的情況下進(jìn)行波能發(fā)電作業(yè),同時(shí)又離生活區(qū)較近,方便電力輸送。中柱采用φ1 350×26鋼管提前與管架整體連接預(yù)制,底部位置通過斜拉筋與平臺(tái)整體相連,斜拉筋采用φ700×22鋼管,主要承載波能浮子采集裝置的橫向受力,中柱上部在吊裝上部模塊前采用臨時(shí)固定連接,待上部模塊吊裝完成后,拆除上部臨時(shí)固定結(jié)構(gòu),完成整體安裝。平臺(tái)1、2號(hào)軸線側(cè)為船舶靠船側(cè)(見圖1),結(jié)構(gòu)整體預(yù)制形式見圖2,結(jié)構(gòu)整體施工采用平臺(tái)普通施工方案。

        導(dǎo)管架主體采用四腿導(dǎo)管架型式,導(dǎo)管架的4個(gè)面的斜度為10∶1,A、B主軸線間距離為14m,1、2號(hào)主軸線距離為12m。導(dǎo)管架頂標(biāo)高4.8m,底標(biāo)高-20.2m,工作點(diǎn)標(biāo)高5.8m。主導(dǎo)管采用φ1 350×26鋼管,成矩形布置,在標(biāo)高3.8m,-2.7m,-10.2m,-18.2m處設(shè)加強(qiáng)段,采用φ1 374×38鋼管。在標(biāo)高3.8m,-2.7m,-10.2m,-18.2m處設(shè)水平拉筋及水平斜拉筋,分別采用φ700×22鋼管、φ500×18鋼管。在標(biāo)高-2.7m,-10.2m,-18.2m之間設(shè)豎向斜拉筋,采用φ600×22鋼管。導(dǎo)管架上設(shè)靠船構(gòu)件、登船平臺(tái)等附屬構(gòu)件。樁采用φ1 200開口變壁厚鋼管樁,壁厚分別為22、26、32和38mm,樁入土57m。

        圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)平面圖

        浮子采用可拆卸模組,預(yù)制浮子部件后,在平臺(tái)上安裝完成,然后對(duì)浮子及其連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)安裝,保證浮子對(duì)平臺(tái)影響的最小化。

        圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)立面圖

        1.2 波能發(fā)電裝置形式及設(shè)計(jì)尺寸

        采用底面圓錐型的浮子作為設(shè)計(jì)發(fā)電裝置,在前期研究中發(fā)現(xiàn)此種發(fā)電裝置波能吸收效果較好,波能利用率較高6]。浮子裝置幾何尺寸見圖3。

        裝置殼體采用40mm的鋼板制作,總高度為6.25m,內(nèi)部中空,質(zhì)量為3.55×104kg。自由漂浮狀態(tài)下吃水深度為1.42m,即干舷高度為4.83m。為保證正常工作吃水,設(shè)計(jì)干舷高度為3m,即吃水深度為3.25m。裝置下部柱狀空倉(cāng)填充碎石壓載,碎石密度為1.9×103kg/m3,填充體積為48.48m3。

        圖3 浮子裝置幾何尺寸(單位:m)

        浮子與導(dǎo)管架連接段采用機(jī)械式連接方式,主要通過齒輪與齒條配合運(yùn)作,同時(shí)結(jié)合管架結(jié)構(gòu)中的支撐柱進(jìn)行軌道鋪設(shè),將浮子通過內(nèi)部的機(jī)械連接安裝到鋪設(shè)軌道上。浮子主要分為上下兩部分,上部為電路及發(fā)電機(jī)連接線路板部分,下部為提供浮力的隔倉(cāng)(內(nèi)部中空提供浮力,必要時(shí)進(jìn)行注水作業(yè)下潛),上部結(jié)構(gòu)將分為多個(gè)不同艙室,主要包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、線路板等根據(jù)不同功能進(jìn)行隔艙,齒輪等機(jī)械單獨(dú)連接于浮子中部,與其它線路隔開以防止海水侵入,整體安裝完畢后進(jìn)行封箱,效果見圖4。

        圖4 浮子結(jié)構(gòu)示意圖

        浮子封箱隔離后,上部加蓋板材,線路通過內(nèi)部管線延伸至上部甲板及生活區(qū),為平臺(tái)提供所需要的電力服務(wù),整體效果見圖5。

        2數(shù)值模擬

        2.1 AQWA軟件簡(jiǎn)介

        AQWA是一套集成模塊,主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)特性評(píng)估相關(guān)分析需求,包括從桅、桁到FPSO,從停泊系統(tǒng)到救生系統(tǒng),從TLPs到半潛水系統(tǒng),從漁船到大型船舶以及結(jié)構(gòu)交互作用。本文用到的模塊主要包括AQWA-LINE和AQWA-NAUT。

        圖5 整體效果圖

        前期研究中對(duì)浮子模型運(yùn)動(dòng)性能分析,物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了AQWA對(duì)于波能發(fā)電浮子分析的可靠性。

        AQWA-LINE是用于計(jì)算浮體結(jié)構(gòu)在常規(guī)波中響應(yīng)問題的計(jì)算程序,此程序可以單獨(dú)運(yùn)行也可以跟AQWA軟件包其他軟件聯(lián)合求解,AQWA-LINE的主要分析技術(shù)是水波的輻射/衍射理論。常規(guī)波浪在行進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)受浮體結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生衍射。程序可以計(jì)算浮體結(jié)構(gòu)的一階或是二階波浪力。AQWA-NAUT則用于計(jì)算在特定波浪條件下,浮體結(jié)構(gòu)的載荷和運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程。

        2.2 波浪荷載計(jì)算

        AWQA-LINE模塊可計(jì)算自由漂浮模型的波浪載荷。AQWA-LINE計(jì)算時(shí)考慮了浮體結(jié)構(gòu)及臨近的固體結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力的相互影響;可處理淺水效應(yīng),考慮波浪力高階項(xiàng)后;可計(jì)算由波浪輻射、衍射引起的任意形狀的浮體結(jié)構(gòu)周圍的波浪力。AGS后處理軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和輸出,分別如圖6~8所示。

        本文用ANSYS軟件建立了發(fā)電裝置的幾何模型。在水面線位置(即吃水線處)有較多的節(jié)點(diǎn),一個(gè)單元只有完全位于水線面以下,才被識(shí)別為繞射單元,并被用作進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析。若某單元一部分在水線面以上,另一部分在水線面以下,該單元?jiǎng)t不會(huì)被識(shí)別為繞射單元。以上軟件設(shè)置就要求在建模時(shí),需在水線面位置對(duì)裝置幾何模型進(jìn)行切割(布爾操作)以保證水線面是繞射單元與非繞射單元的分割面,并保證計(jì)算精度。

        圖6 AGS導(dǎo)入計(jì)算模型圖

        圖7 AGS導(dǎo)入流體計(jì)算過程示意圖

        圖8 振蕩浮子裝置衍射、輻射波浪三維顯示圖

        浮體在波浪中6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和6個(gè)方向上的波浪力(矩),被稱為響應(yīng)變量。這6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)可分解為3種角位移和3種線位移,分別稱為橫搖、縱搖、艏搖和縱蕩、橫蕩、垂蕩。其中裝置浮體重心G沿ox軸的直線運(yùn)動(dòng)稱為縱蕩(Surge);沿oy軸的直線運(yùn)動(dòng)稱為橫蕩(Sway);沿oz軸的直線運(yùn)動(dòng)成為垂蕩(Heave);浮體繞ox軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為橫搖(Roll);繞oy軸轉(zhuǎn)動(dòng)的稱為縱搖(Pitch);繞oz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為艏搖(Yaw)7]。這6種運(yùn)動(dòng)中,垂蕩對(duì)發(fā)電裝置工作性能影響最大,是本研究中主要考慮的對(duì)象。

        3裝置浮體的工作狀態(tài)及受力分析

        裝置在正常工作海況下,考慮其對(duì)稱性,設(shè)定入射波方向均沿ox軸正方向,考慮規(guī)則波具體計(jì)算工況如下表1所示。主要對(duì)浮子進(jìn)行不同波高周期組合條件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)比分析,分為4個(gè)工況,水深均采用18.2m,吃水深度保持一致(3.25m),由于主要是對(duì)于裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析,并對(duì)規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié),因此模擬過程中采用規(guī)則波進(jìn)行模擬分析。

        表1 工作海況下裝置計(jì)算工況表

        3.1 浮體頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

        圖9中裝置浮體附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)隨入射波頻率改變具有一定變化趨勢(shì),個(gè)別方向的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)在某一頻率發(fā)生劇烈變化。

        圖9 裝置附加質(zhì)量,附加阻尼(H=0.5m,T=6.0s)

        圖10為頻域下的浮子運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值大小,RAO是裝置運(yùn)動(dòng)響應(yīng)無(wú)因次化的響應(yīng)振幅算子,其計(jì)算方法為:

        主要表示隨著波浪振動(dòng)頻率的變化浮子本身運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的變化情況,如圖10中所示,頻率在1.2之前,RAO值逐步平穩(wěn)小幅上升,在2.0以后出現(xiàn)平穩(wěn)下滑,RAO值在1.2~2.0之間出現(xiàn)劇烈變化,說明浮子在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)變化強(qiáng)烈,對(duì)于波能浮子采集裝置來(lái)說,運(yùn)動(dòng)的劇烈變化使得其波能捕獲效果達(dá)到最佳,是對(duì)于此裝置較為合適的波浪頻率區(qū)間。

        圖10 頻域下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值

        3.2 浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

        A1工況計(jì)算結(jié)果圖11、12可得Z方向運(yùn)動(dòng)位移、速度及加速度隨時(shí)間整體成周期性變化,某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大,隨后曲線峰值相對(duì)變小,延續(xù)2~3個(gè)峰值后再次出現(xiàn)最大,依此循環(huán)。在位移最大位置速度最小,加速度最大,結(jié)合圖13可知此時(shí)發(fā)電功率最小,裝置處于平衡位置時(shí),速度最大,加速度最小,發(fā)電功率最大。

        圖11 裝置浮體z方向上位移,速度及加速度

        圖12 裝置浮體所受k-f力及波浪繞射力

        圖13 輸出功率短時(shí)程示意圖(H=0.5m,T=6.0s)

        保持波高不變,對(duì)比浮子時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng),隨著周期變化,浮子垂蕩范圍也有所變化,波浪周期變長(zhǎng),浮子相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定,幅度有所減小。在相同周期下,隨著波高增大,裝置浮子垂蕩運(yùn)動(dòng)變化明顯,浮子輸出功率變化也隨之加強(qiáng)。在0.5m波高下條件下,不同周期條件,位移對(duì)比見圖14。從圖中可以看出6s周期條件下浮體位移變化較大,這主要是由于6s周期波頻率為0.167,處于1.2Hz波頻率之前,浮體位移響應(yīng)變化較小,隨波頻增大稍有增加,與頻域分析中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值結(jié)果相符,但位移整體變化不大。

        保持周期不變,對(duì)比浮子時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng),隨著波高的變化,浮子垂蕩范圍有明顯變化。如圖15所示,相同周期下,裝置浮體運(yùn)動(dòng)頻率相同,但是隨著波高的變大,裝置浮體運(yùn)動(dòng)位移變化有了明顯提高,因此,理論上來(lái)說,在保證浮體裝置安全性能條件下,波高越大裝置發(fā)電性能越好。

        圖14 不同周期浮體位移變化對(duì)比

        圖15 不同波高裝置位移變化對(duì)比圖

        不同波高對(duì)浮體裝置平均最大位移影響如圖16。相同波高條件下周期的增大引起位移緩慢減小,這是由于周期增大使得運(yùn)動(dòng)頻率變化,劇烈程度降低,使得浮子裝置接收能量的速度降低,位移變化稍有減小,但影響不大;相同周期條件下,隨波高的變大浮子運(yùn)動(dòng)位移明顯加大。

        浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)其他參數(shù)的對(duì)比如圖17、18、19所示,圖17中浮體裝置平均最大速度隨周期變化下降,主要是受到周期變大影響,使得能量轉(zhuǎn)化頻率下降,運(yùn)動(dòng)速度下降;圖18中與17變化原因相同,隨周期變大,運(yùn)動(dòng)加速度減?。粓D19豎直方向上,浮體裝置所受波浪力隨周期增大而增大,主要是由于周期變大,導(dǎo)致周期內(nèi)波浪所攜帶水體體量增大,使得每個(gè)波周期內(nèi)能量增加,波浪力作用力增大。

        從各個(gè)工況中的浮子運(yùn)動(dòng)情況看,浮子運(yùn)動(dòng)幅值在某一波浪頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)較大波動(dòng),運(yùn)動(dòng)幅度出現(xiàn)峰值;時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律與前期研究中浮子裝置運(yùn)動(dòng)的位移以及速度變化相差不大,即裝置對(duì)于波能的吸收并未受到很大影響,在導(dǎo)管架平臺(tái)存在的情況下,浮子運(yùn)動(dòng)的理想波頻率在1.2~2.0Hz之間;通過時(shí)域方向上,各工況的橫向與縱向?qū)Ρ日f明浮子發(fā)電裝置整體運(yùn)動(dòng)性能良好,因此,振蕩浮子式波能發(fā)電裝置在與采油平臺(tái)的導(dǎo)管架相結(jié)合的狀態(tài)下,其運(yùn)動(dòng)形態(tài)與速度變化并未受到太大影響,波能吸收狀態(tài)良好,此種形式是可行的。

        圖16 平均最大位移

        圖18 平均最大加速度

        圖19 平均z方向最大波浪力

        4結(jié)語(yǔ)

        通過水動(dòng)力學(xué)軟件模擬計(jì)算研究表明,波能發(fā)電裝置與平臺(tái)結(jié)合是可行的,裝置在初步設(shè)計(jì)狀態(tài)下,運(yùn)動(dòng)效果良好,在正常工作海況下,裝置運(yùn)行正常,未出現(xiàn)破壞或停止工作狀況。運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較大,波能利用率并未受到平臺(tái)太大影響。本文主要通過數(shù)值模擬計(jì)算為后期試驗(yàn)及海試研究提供了一定數(shù)據(jù)支持,后續(xù)具體實(shí)際情況后續(xù)仍然需要大量驗(yàn)證及補(bǔ)充計(jì)算。

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        [7]史宏達(dá), 劉棟, 劉臻. 一種新型波能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2010.

        Shi Hongda, Liu Dong, Liu Zhen, Calculation of the Motion Response of a Novel Wave Energy Convetor [D]. Qingdao: Ocean Univercity of China, 2010.

        責(zé)任編輯陳呈超

        A New Wave Energy Convertor Combined with Oil Production Platform

        LIU Zhen1, 2, FAN Hai-Wen1, YAN Hao-Ran1, ZHAO Huan-Yu1, YANG Wan-Chang1, JIN Ji-Yuan3

        (1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Marine Renewable Energy Key Laboratory, Qingdao 266100, China; 3.Korea Research Institute of Ship and Ocean Engineering, Daejeon 305343, Korea)

        Abstract:Based on the former studies on oscillating-buoy type wave energy converter, a new wave energy converterwas proposed in the present paper, which is combined with the oil platform. The hydrodynamic software Ansys-AQWA was employed to carry out all the numerical simulations. The forces on the device and corresponding movement responses were calculated under various wave conditions. The stability and output power analysis indicates: the operational stabilities of the wave energy device and platforms are good. The wave energy absorption ratio is not affected by the platform, which has demonstrate that the feasibility of the proposed design. It was found that 1.2~2.0Hz is the optimal wave frequency zone. On the other hand, the vertical mean maximum movement, maximum velocities and accelerations are in the positive correlation to the incident wave height. The vertical mean maximum accelerations are in the negative correlation to the incident wave periods. In addition, the vertical mean maximum wave forces are in the positive correlation to the wave periods. The above results will provide sufficient data support to the further studies.

        Key words:AQWA; convertor; numerical simulation; wave energy; platform

        DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20140085

        中圖法分類號(hào):TM619

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1672-5174(2016)02-124-07

        作者簡(jiǎn)介:劉臻(1979-),男,副教授。E-mail:liuzhen@ouc.edu.cn

        收稿日期:2014-03-17;

        修訂日期:2015-01-10

        基金項(xiàng)目:?山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(JQ201314);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376100);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA052601);海洋可再生能源專項(xiàng)(GHME201113L04);韓國(guó)船舶與海洋工程研究院項(xiàng)目(PES1920)資助

        引用格式:劉臻, 范海文, 燕浩然, 等. 一種與采油平臺(tái)結(jié)合的新型波浪發(fā)電裝置[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(2): 124-130.

        Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation (JQ201314);National Natural Science Foundation (41376100);863 Project (2012AA052601);Ocean Renewable Energy Special Fund Project (GHME201113L04);Korea Research Institute of Ships &Ocean Engineering(KRISO)Endowment-Grant(No.PES1920)

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