مطالعه تجربي و شبيه سازي عددي اثر بافل روي تلاطم سطحي آب كم عمق در يك مخزن متحرك با استفاده از نرم افزار متن باز OpenFOAM

Experimental and Numerical Investigating the Effect of Baffle on the Shallow Water Sloshing in a Moving Tank using OpenFOAM Software

بر اثر ايجاد جابه جايي سازه يك مخزن مايع و انتقال اين حركت به مايع، حركت سطح آزاد مايع داخل آن با به وجود آوردن موج (پديده اسلاشينگ) باعث وارد شدن ضربات فشاري بر ديوارهاي كناري و جانبي مخزن مي شود. اين پديده با به وجود آوردن موج هاي پر انرژي و مخرب و همچنين ايجاد نيروهاي هيدروديناميكي با دامنه نوسانات بالا باعث اعمال نيروي نوساني و گاها غيرقابل كنترل بر ديوارهاي جانبي و موجب اختلال در حركت عادي وسيله نقليه حمل كننده مايع مي شود كه اهميت بررسي و ارايه راهكارهاي پيشگيري اين پديده را نشان مي دهد. وسعت مواجهه با اين پديده در صنايعي ديگر همچون صنايع موشكي با سوخت مايع، كشتي هاي نفت كش يا حامل سوخت ها و مواد مايع، تانكرهاي ماشين هاي سوخت رسان (مايع) يا مخازن آب، ايجاب مي كند با پيش بيني رفتار آن اقدامات لازم براي كنترل پديده اسلاشينگ صورت بگيرد. يكي از راه هاي كنترلي استفاده از بافل يا صفحاتي در راستاي عرضي مخزن است. در اين مقاله معادلات حاكم بر اين پديده در نرم افزار متن باز OpenFOAM حل شده است. اين نرم افزار معادلات ديفرانسيل با مشتقات جزيي را با استفاده از روش حجم محدود حل مي كند كه به صورت پيش فرض هندسه را سه بعدي در نظر مي گيرد. براي حل جريان دو فاز از مدل اصلاح شده حجم هاي مايع (VOF) استفاده شده و از مدل مش متحرك هم براي حركت بدنه مخزن استفاده شده است. در روش VOF، مقدار فازها به صورت كسري از يك (كسر حجمي) بيان مي شود كه براي تعيين آن براساس معادله پيوستگي، يك معادله ديفرانسيل تنظيم و حل مي شود. براي مدل جريان مغشوش از مدل اصلاح شده k-e با در نظر گرفتن اثرات جريان هاي سطح آزاد استفاده شده است. همچنين مدلي تجربي از يك مخزن واقعي براي تاييد پيشگويي هاي شبيه سازي ارايه شده است. بررسي ها، نشان از انطباق قابل قبول نتايج تجربي و عددي دارند. علاوه بر اين نتايج نشان مي دهد كه با استفاده از بافل هاي عمودي تا 50% مي توان نوسانات ناشي از اين پديده را كاهش داد.

The motion of the liquid free surface in a container (sloshing phenomenon) inserts a momentum on the container walls. This makes a great disorder in the movement of the carrier vehicle or inserts a large force and momentum on the container walls. The reason for this phenomenon is the establishment of destructive waves and hydrodynamic forces. The side effects of this phenomenon in various industries, such as ship industries carrying liquid fuels, liquid fuel rocket industries, fuel tanks or water tanks, increase the importance of predictions of the behaviors of this phenomenon. One way of controlling is to use baffles or plates in the transverse direction of the tank. In this study, the governing equations on this phenomenon have been solved using the OpenFOAM software. This software solves partial differential equations using the finite volume method, which by default considers geometry to be three dimensional. In order to solve the two-phase flow, a modified volume of the fluid model (VOF) is applied and the moving mesh model is used for the movement of the container body. In the VOF method, the phases are expressed as a fraction of one (volume fraction). To determine this parameter, based on the continuity equation, a differential equation is regulated and solved. For the turbulent flow model, a modified k-ɛ model is used by considering the effects of free-surface flows. Also, an experimental model of a real moving liquid container has been used for validation of the predictions of the presented simulation. The results show that the experimental and numerical results are in good accordance. In addition, the results show that using vertical baffles up to 50% can reduce the fluctuations caused by this phenomenon.