Numerical analysis of fluid motion inside partially filled container which is moving in unsteady way

• Autorzy: Sowińska M. , Piechna J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2015-0027

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna zachowania się cieczy wewnątrz częściowo wypełnionego zbiornika poruszającego się ruchem nieustalonym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes the behavior of the liquid in a container that moves with a constant speed along a track consisting of three arcs. Such a complicated track shape generates complex form of inertia forces acting on the liquid and generates the sloshing effect. The behavior of the tank container vehicle is affected by the time-dependent inertia forces associated with the transient sloshing motion of the liquid in the non-inertial frame. These internal excitations, acting on a tank construction, can cause a loss of stability of the vehicle. For that reason, the authors analyze the dynamic loads acting on the walls of the tank truck container. The variation of the position of the liquid cargo gravity center, that depends on the filling level of the container, is also analyzed. The simulations were performed according to the varying fill level, which was 20%, 50% and 80% of a liquid in the whole tank volume. The simulations were carried out for a one-compartment container. Another aim of this study was the investigation of the influence of container division (tank with one, two and three compartments) on behavior of the liquid. These simulations considered only the half-filled container which was treated as a dangerous configuration prohibited by the law regulations for one-compartment tank. The results of simulation are presented in the form of visualization of temporary liquid free surface shape, variation of forces and moments, as well as frequency analysis. The results of simulation were analyzed, and some general conclusion were derived, providing the material for future investigation and modifications of the law regulations.

PL

Artykuł opisuje zachowanie się cieczy wewnątrz zbiornika, który porusza się ze stałą prędkością wzdłuż toru składającego się z trzech łuków. Na zachowanie zbiornika cysterny mają wpływ siły zależne od czasu związane z nieustalonym ruchem cieczy w układzie nieinercjalnym. Wewnętrzne wymuszenia działające na konstrukcję zbiornika mogą spowodować utratę stabilności pojazdu. Z tego powodu w artykule przeanalizowano obciążenia dynamiczne działające na ściany zbiornika pojazdu cysterny, a także zmianę położenia środka ciężkości przewożonej cieczy, w zależności od stopnia napełnienia zbiornika. Symulacje zostały przeprowadzone dla różnych stopni napełnienia przewożonym ładunkiem, tj. 20%, 50% i 80% cieczy w całkowitej objętości zbiornika. Dla tych stopni napełnienia rozpatrywano zbiornik jednokomorowy. Kolejnym celem badań było sprawdzenie wpływu podziału zbiornika (na jedną, dwie i trzy komory) na zachowanie się cieczy wewnątrz zbiornika. W tym przypadku rozważano zbiornik wypełniony cieczą w połowie, co uważane jest jako niebezpieczny stopień napełnienia zabroniony według regulacji prawnych dotyczących przewozu materiałów w cysternach ze zbiornikiem jednokomorowym. Wyniki symulacji zostały przedstawione w postaci kształtów powierzchni swobodnej, przebiegu sił i ich momentów działających na ściany zbiornika a także analizy częstotliwościowej tych sygnałów. Wyniki zostały przeanalizowane i na ich podstawie wyciągnięto wnioski, które dają podstawę do dalszych badań w tym temacie i dyskusji nad możliwymi zmianami w regulacjach prawnych dotyczących przewozu cieczy w cysternach.

Słowa kluczowe

EN

sloshing phenomenon; center of gravity motion; spectrum of unsteady force load

PL

zjawisko przelewania; zmiany położenia środka ciężkości; widmo obciążenia nieustalonymi siłami

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. LXII, nr 4
• Strony: 477--508
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sowińska M.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, 00-665 Warsaw, Nowowiejska 24, Poland

autor

Piechna J.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, 00-665 Warsaw, Nowowiejska 24, Poland

Bibliografia

• [1] Abramson N. H., The dynamics behavior of liquids in moving containers with application to space vehicle technology, National technical information service, Washington D.C., 1966.
• [2] Azadi S., Jafari A. , Samadian M., Effect of parameters on roll dynamic response of an articulated vehicle carrying liquid, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, Issue 3, pp. 837-848, 2014.
• [3] Barton, M., Corson, D., Quigley, J., Emami, B. et al, Tanker Truck Sloshing Simulation Using Bi-Directionally Coupled CFD and Multi-Body Dynamics Solvers, SAE Technical Paper 2014-01-2442, 2014.
• [4] Brizzolara S., Savio L., Viviani M., Chen Y., Temarel P., Couty N., Hoflack S., Diebold L., Moirod N., Iglesias A., Comparison of experimental and numerical sloshing loads in partially filled tanks, Analysis and Design of Marine Structures, Taylor & Francis Group, 2009.
• [5] Cheli F., D’Alessandro V., Premoli A., Sabbioni E., Simulation of sloshing in tank trucks, International Journal of Heavy Vehicle Systems, Vol. 20, No.1, pp.1-18, 2013.
• [6] Chitkara, T., Kittur, Z., Soman, R., Computational Simulation of Fuel Tank Sloshing using CFD Techniques, SAE Technical Paper 2013-01-2868, 2013.
• [7] D’Alessandro V., Modeling of tank vehicle dynamics by fluid sloshing coupled simulation, doctoral dissertation, Politecnico di Milano, 2011.
• [8] Godderidge B., Turnock S, Tan M., Earl Ch., An investigation of multiphase CFD modelling of a lateral sloshing tank, Computers & Fluids, 38(2): 183-193, 2009.
• [9] Hasheminejad S. M., Aghabeigi M., Liquid sloshing in half-full horizontal elliptical tanks, Journal of Sound and Vibration 324, pp. 332-349, 2009.
• [10] Hirt C.W., Nichols B.D., Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of Computational Physics, Vol. 39, No. 1, pp. 201-225, 1981.
• [11] Ibrahim R. A., Liquid sloshing dynamics: theory and applications, Cambridge University Press, 2005.
• [12] Ibrahim R. A., Ikeda T., Pilipchuk V. N., Recent advance in liquid sloshing dynamics, Applied Mechanics Review, Vol. 54(2), pp. 133-199, 2001.
• [13] Kandasamy T, S. Rakheja S., Ahmed A.K.W., An Analysis of Baffles Designs for Limiting Fluid Slosh in Partly Filled Tank Trucks, The Open Transportation Journal, Vol. 4, 2010.
• [14] Lakisa A.A., Bursuca G., Tooranib M.H., Sloshing effect on the dynamic behavior of horizontal cylindrical shells, Nuclear Engineering and Design, Vol. 239, Issue 7, pp. 1193-1206, 2009.
• [15] Liu D., Lin P., A numerical study of three-dimensional liquid sloshing in tanks, Journal of Computational Physics, Vol. 227, pp. 3921-3939, 2008.
• [16] Mi-An Xue, Jinhai Zheng, Pengzhi Lin, Numerical Simulation of Sloshing Phenomena in Cubic Tank with Multiple Baffles, Journal of Applied Mathematics, Vol. 2012, 21 pages, 2012.
• [17] Pułkowski M., Domański W., Bezpieczeństwo transportu drogowego paliw płynnych w cysternach – podstawowe obowiązki uczestników przewozu, Bezpieczeństwo Pracy: nauka i praktyka, ISSN 0137-7043, Vol. 9, pp. 9-13, 2010.
• [18] Rakheja S., Sankar S., Ranganathan R., Roll plane analysis of articulated tank vehicles during steady turning, Journal of Vehicle System Dynamics, Vol.17, pp. 81-104, 1988.
• [19] Rakheja S., Yan G., Siddiqui K., Experimental study of liquid slosh dynamics in a partially filled tank, Trans. ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 13, Issue 1, 2009.
• [20] Ranganathan R., Rakheja S., Sankar S., Kinetostatic roll plane analysis of articulated tank vehicles with arbitrary tank geometry, International Journal of Vehicle Design, Vol. 10, No. 1, pp. 89-111, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada, 1989.
• [21] Ranganathan R., Ying Y., Miles J.B., Analysis of fluid slosh in partially filled tanks and their impact on the directional response of tank vehicles, SAE, no. 932942, pp. 39-45, 1993.
• [22] Ramaswamy B., Kawahara M., Lagrangian finite element analysis to viscous free surface fluid flow, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 7, pp.953-984, 1987.
• [23] Rattayya J. V., Natural frequencies and modes of oscillation of liquids in partially filled axisymmetric ellipsoidal tanks calculated using variational principle, American Institute of Aeronautics and Astronautics, pp. 65-114, 1965.
• [24] Salem M.I., Mucino V.H., Saunders E., Gautam M., Lateral sloshing in partially filled elliptical tanker trucks using a trammel pendulum, International Journal of Heavy Vehicle Systems, vol. 16, no. 1-2, pp. 207-224, 2009.
• [25] Singala V., Bajajb J., Awalgaonkara N., Tibdewalc S., CFD Analysis of a Kerosene Fuel Tank to Reduce Liquid Sloshing, 24th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, Procedia Engineering, Vol. 12, pp. 1365-1371, 2014.
• [26] Singh G. B, Singh S., An Experimental and CFD Analysis of Sloshing in a Tanker, Procedia Technology, Vol. 14, pp. 490–496, 2014.
• [27] Stefan aus der Wiesche, Sloshing dynamics of a viscous liquid in a spinning horizontal cylindrical tank, Aerospace Science and Technology, Vol. 12, Issue 6, pp. 448-456, 2008.
• [28] Vuruşkan I, Sert C., Bülent Özer M., Simulation of Fluid Sloshing for Decreasing the Response of Structural Systems, ASME 2014 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, Vol. 2: Dynamics, Vibration and Control; Energy; Fluids Engineering; Micro and Nano Manufacturing, Copenhagen, Denmark, July 25-27, 2014.
• [29] Xue-lian Z., Xian-sheng L., Yuan-yuan R., Equivalent Mechanical Model for Lateral Liquid Sloshing in Partially Filled Tank Vehicles, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2012, 2012.
• [30] FLUENT 6.3 Documentation, User’s Guide, 2006.