Thema der vorliegenden Arbeit ist die Berechnung von Sloshing in einem geschlossenen, rechteckigen Tank, Höhe x Breite = 600x1200 mm, für folgende Fälle:
Querbewegung (sway) : Amplitude 60 mm, Perioden 1.74 s und 1.94 s.
Rollbewegung (roll) : Amplitude 10 Grad, Perioden 1.85 s und 2.25 s.
Die Füllung des Tanks beträgt dabei 20%.
Querbewegung (sway) : Amplitude 15 mm, Perioden 1.404 s und 1.474 s.
Die Füllung des Tanks beträgt dabei 60%.
Um den Einfluss des Berechnungsgitters auf die Rechnung zu bestimmen, soll die Gitterfeinheit variiert werden. Es sind sowohl zwei- als auch dreidimensionale Rechnungen durchzuführen. Um die während der Bewegung auf das Wasser wirkenden Kräfte zu simulieren, werden ebenfalls zwei Methoden untersucht, die später näher erläutert werden.
Da das Problem zeitabhängig ist, sollen zwei Methoden der Zeitintegration verwendet und miteinander verglichen werden. An definierten Stellen, an denen sich im Experiment Druckaufnehmer befinden, wird der Druck berechnet.
Sloshing bezeichnet das Schwappen von Flüssigkeiten mit freier Oberfläche. Dieses Phänomen ist jedem bekannt, der z.B. einen Becher Kaffee oder ein anderes mit Flüssigkeitgefülltes Gefäß transportiert. Man stellt fest, dass bereits kleine Auslenkungen des Gefäßes starke Flüssigkeitsbewegungen zur Folge haben können. Solche Flüssigkeitsbewegungen werden im Allgemeinen Sloshing genannt.
Es gibt viele Fälle, in denen Sloshing ein Problem darstellen kann. Für fast jedes sic hbewegende Fahrzeug, welches Flüssigkeiten mit freier Oberfläche enthält, muss Sloshing berücksichtigt werden.
Bei Sloshing in Tanks können beim Aufschlagen der Flüssigkeit auf die Tankwände sehr hohe Drücke entstehen, was zur Beschädigung oder gar Zerstörung von Bauteilen führen kann. Bei Flugzeugen und Raumfähren haben die Flüssigkeitsbewegungen in den Tanksbesonderen Einfluss auf das dynamische Verhalten dieser Fahrzeuge. Schiffe sind oft problematisch, weil sie meist große Betriebsstofftanks haben. Bei Tankschiffen sind z.B. LNG-Tanker besonders betroffen, da sie wegen der Boil-Off-Rate Füllungsgrade von 95 –97% haben.
Sloshing ist schwierig zu berechnen, da brechende Wellen und Spritzer auftreten können.
Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung
2. Sloshing
3. Experimente
4. Numerische Berechnung
5. Vergleich von Messung und Berechnung
5.1 Querbewegung
5.2 Rollbewegung
6. Zusammenfassung
7. Literatur
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der numerischen Analyse von Sloshing-Phänomenen (Schwappen von Flüssigkeiten) in einem geschlossenen, rechteckigen Tank unter verschiedenen Bewegungsbedingungen, um die Genauigkeit von CFD-Simulationen mittels Validierung gegen experimentelle Daten zu untersuchen.
- Numerische Simulation von Sloshing-Vorgängen in 2-D und 3-D
- Einflussanalyse der Gitterfeinheit und numerischer Parameter
- Vergleich verschiedener Methoden der Fluidbeschleunigung (moving grid vs. bodyforce)
- Validierung der Berechnungsergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Druckmesswerten
- Untersuchung von Quer- und Rollbewegungen bei variierenden Füllungsgraden
Auszug aus dem Buch
Numerische Berechnung
Die Berechnung wird mit dem Programm ’Comet’ der Firma ’ICCM GmbH’ durchgeführt, welches die Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes Gleichungen löst.
Im Folgenden wird die numerische Methode kurz beschrieben. Die Berechnungen werden mit einer Finite-Volumen-Methode mit zellzentrierter Anordnung der Variablen durchgeführt. Sie kann auf strukturierten, blockstrukturierten und auf unstrukturierten Gittern angewendet werden und benutzt eine Oberflächenerfassungsmethode zur Bestimmung der Lage der freien Flüssigkeitsoberfläche.
Es werden nacheinander die linearisierten Erhaltungsgleichungen, die Kontinuitätsgleichung, sowie zwei Gleichungen für die Turbulenzmodellierung gelöst. Die linearisierten Gleichungssysteme werden mit der Methode der konjugierten Gradienten gelöst. Wasser und Luft werden als zwei Fluide mit seinen jeweiligen Eigenschaften betrachtet. Eine zusätzliche Transportgleichung wird gelöst, um die Trennfläche zwischen beiden Flüssigkeiten zu bestimmen (interface-capturing). Eine vollständige Beschreibung der numerischen Methode ist in [1] und [3] zu finden.
Die Generierung des Berechnungsgitters erfolgt mit dem Pre-Processor von ’Comet’. Für den Tank mit 20% Füllung wurde das Gitter am Boden und an den Wänden lokal verfeinert, also dort wo Wasser zu erwarten ist. Das 2-D-Gitter stellt exakt eine Scheibe des 3-D-Gitters dar, wodurch die Vergleichbarkeit beider Gitter gewährleistet ist, siehe Abb. 4.1 und 4.2. Um den Einfluss der Gitterfeinheit zu untersuchen, wurde das 2-D-Gitter verfeinert, siehe Abb. 4.3. Für den Tank mit 60% Füllung wird das Gitter nur in unmittelbarer Wandnähe verfeinert, siehe Abb. 4.4.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Aufgabenstellung: Definition der Zielsetzung der Arbeit sowie Beschreibung der zu untersuchenden Sloshing-Fälle und Parameter.
2. Sloshing: Einführung in das physikalische Phänomen des Schwappens von Flüssigkeiten in Tanks und Erläuterung der technischen Relevanz.
3. Experimente: Beschreibung der experimentellen Basisdaten, die zur Validierung der numerischen Simulationen am Ship Research Institute gewonnen wurden.
4. Numerische Berechnung: Detaillierte Darstellung der verwendeten CFD-Methodik, der Gittergenerierung und der untersuchten numerischen Einstellungen.
5. Vergleich von Messung und Berechnung: Ausführliche Gegenüberstellung der simulierten Druckverläufe mit den experimentellen Werten.
5.1 Querbewegung: Analyse und Vergleich der Ergebnisse für Querbewegungen unter verschiedenen Bedingungen.
5.2 Rollbewegung: Analyse und Vergleich der Ergebnisse für Rollbewegungen unter verschiedenen Bedingungen.
6. Zusammenfassung: Bewertung der Untersuchungsergebnisse und Fazit zur Anwendbarkeit der CFD-Methoden für die betrachteten Sloshing-Probleme.
7. Literatur: Verzeichnis der in der Arbeit zitierten Quellen und verwendeten Fachliteratur.
Schlüsselwörter
Sloshing, CFD-Simulation, Finite-Volumen-Methode, Tankbewegung, Druckmessung, Validierung, Schiffbau, numerische Strömungsmechanik, freie Oberfläche, Comet, Querbewegung, Rollbewegung, hydrodynamische Lasten.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Diplomarbeit?
Die Arbeit untersucht das numerische Modellieren von Sloshing-Phänomenen in geschlossenen Tanks, um die Vorhersagegenauigkeit für auftretende Flüssigkeitskräfte unter Bewegung zu evaluieren.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen die numerische Hydrodynamik, den Vergleich von 2-D- und 3-D-Berechnungsmodellen sowie die experimentelle Validierung von Druckverläufen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Validierung der CFD-Berechnungsergebnisse (mit der Software 'Comet') durch einen Vergleich mit experimentellen Daten, um die Zuverlässigkeit numerischer Ansätze zu belegen.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär angewandt?
Es wird eine Finite-Volumen-Methode zur Lösung der Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes-Gleichungen unter Verwendung einer Oberflächenerfassungsmethode genutzt.
Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich intensiv mit dem Einfluss von Gitterauflösung, Zeitintegrationsmethoden und der Art der Bewegungsmodellierung auf die Genauigkeit der Druckberechnung im Tank.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich diese Arbeit charakterisieren?
Zu den prägenden Begriffen gehören Sloshing, CFD, Validierung, Druckverläufe, Tankbewegungen und Finite-Volumen-Verfahren.
Warum spielt die Gitterfeinheit eine wichtige Rolle in der Arbeit?
Die Gitterfeinheit ist entscheidend, um sowohl die allgemeinen Druckverläufe korrekt zu erfassen als auch lokale Phänomene wie Spritzerbildungen beim Aufschlagen der Flüssigkeit abzubilden.
Was ist der wesentliche Unterschied zwischen 'moving grid' und 'bodyforce'?
Während beim 'moving grid' das Berechnungsgitter physikalisch bewegt wird, werden bei der 'bodyforce'-Methode die Beschleunigungskräfte als Massenkräfte direkt auf das Fluid aufgebracht.
- Citation du texte
- Frank Mallon (Auteur), 2002, Numerische Analsyse von Sloshing, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4382
