Die Hin- und Herbewegung zäher Flüssigkeiten in teilgefüllten rechteckigen Tanks bei Horizontal- und Rollbewegungen (Sloshing) ist ein stark nichtlineares Phänomen und meist mit der Bildung von Spritzern und brechenden Wellen verbunden. Zu ihrer Simulation sind potentialtheoretische Verfahren daher ungeeignet; die Lösung der gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANSE) führt trotz Mängel in der Turbulenzmodellierung zu besseren Resultaten. Im Rahmen einer vom Germanischen Lloyd finanzierten Studie wurde hierfür ein Finite-Volumen-Verfahren entwickelt, das die Verwendung unstrukturierter Gitter mit zellenweiser lokaler Verfeinerung ermöglicht. Die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft wird durch eine sogenannte front-capturing-Methode beschrieben, nach der das Fluid in den die Grenzfläche umgebenden Zellen als homogenes Zweiphasengemisch beschrieben wird, dessen Materialkonstanten sich aus den Volumenanteil der beiden Phasen ergeben. Zur Validierung des numerischen Verfahrens wurden zwei Versuchsreihen herangezogen, bei denen in teilgefüllten rechteckigen Tanks an mehreren Meßstellen der Druckverlauf aufgezeichnet wurde, der sich bei periodischen Horizontal- und Rollbewegungen des Tanks einstellte. Die erste Versuchsreihe wurde mit einem rechteckigen Tank ohne Einbauten durchgeführt. Für die zweite Testreihe wurde ein rechteckiger Tank mit einem zusätzlichen rechteckförmigen Einbau in der Mitte des Tankbodens (Euroslosh-Tank) verwendet, der sich über die gesamte Breite des Tanks erstreckt. Die Simulationsrechnungen zeigen, daß die Strömung je nach Periode, Amplitude und Art der Bewegung mehr oder weniger durch starkes Brechen der Wellen ausgeprägt ist, wodurch sich Lufteinschlüsse bilden. Die größten Geschwindigkeiten treten dort auf, wo die Welle an der Tankwand bricht. Es bilden sich sowohl in der Luft als auch im Wasser ausgeprägte Wirbel. Die gemessenen Druckverläufe stimmen mit den Rechenergebnissen gut überein. Die mit dem Euroslosh-Tank vorgenommene experimentelle Untersuchung verschiedener Einflußgrößen auf die Druckamplitude an den Tankwänden bei periodischer Rollbewegung führt zu folgenden Aussagen: 1. Eine Verminderung des Füllgrads von 60 auf 50% führt zu einer erheblichen Reduzierung der durch Sloshing induzierten Lasten. 2. Bei einer Anregungsperiode, die nur 80% der mit der linearen Wellentheorie abschätzbaren Eigenperiode beträgt, nimmt der Druck um mehr als 70% im Vergleich zum Resonanzzustand ab. 3. Die Verschiebung der Drehachse nach unten und die Erhöhung der Rollamplitude führen beide zu einer Zunahme der Druckamplitude. 4. Das Totwassergebiet hinter dem Einbau wirkt sich auf die Druckamplitude an den Tankwänden erwartungsgemäß dämpfend aus.
Numerische Simulation von Sloshing in Tanks. GL-Studie
Numerical simulation of sloshing in tanks. GL Paper
Schiff und Hafen / Seewirtschaft ; 54 , 10 ; 201-208
2002
5 Seiten, 14 Bilder, 8 Quellen
Article (Journal)
German
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