مطالعه تجربی و شبیه‌سازی عددی اثر بافل روی تلاطم سطحی آب کم‌عمق در یک مخزن متحرک با استفاده از نرم‌افزار متن‌باز openfoam

بر اثر ایجاد جابه‌جایی سازه یک مخزن مایع و انتقال این حرکت به مایع، حرکت سطح آزاد مایع داخل آن با به وجود آوردن موج (پدیده اسلاشینگ) باعث وارد شدن ضربات فشاری بر دیوارهای کناری و جانبی مخزن می‌شود. این پدیده با به وجود آوردن موج‌های پر انرژی و مخرب و همچنین ایجاد نیروهای هیدرودینامیکی با دامنه نوسانات بالا باعث اعمال نیروی نوسانی و گاهاً غیرقابل کنترل بر دیوارهای جانبی و موجب اختلال در حرکت عادی وسیله نقلیه حمل‌کننده مایع می‌شود که اهمیت بررسی و ارایه راهکارهای پیشگیری این پدیده را نشان می‌دهد. وسعت مواجهه با این پدیده در صنایعی دیگر همچون صنایع موشکی با سوخت مایع، کشتی‌های نفت‌کش یا حامل سوخت‌ها و مواد مایع، تانکرهای ماشین‌های سوخت‌رسان (مایع) یا مخازن آب، ایجاب می‌کند با پیش‌بینی رفتار آن اقدامات لازم برای کنترل پدیده اسلاشینگ صورت بگیرد. یکی از راه‌های کنترلی استفاده از بافل یا صفحاتی در راستای عرضی مخزن است. در این مقاله معادلات حاکم بر این پدیده در نرم‌افزار متن‌باز openfoam حل‌شده است. این نرم‌افزار معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزیی را با استفاده از روش حجم محدود حل می‌کند که به صورت پیش‌فرض هندسه را سه‌بُعدی در نظر می‌گیرد. برای حل جریان دو فاز از مدل اصلاح‌شده حجم‌های مایع (vof) استفاده شده و از مدل مش متحرک هم برای حرکت بدنه مخزن استفاده شده است. در روش vof، مقدار فازها به صورت کسری از یک (کسر حجمی) بیان می‌شود که برای تعیین آن براساس معادله پیوستگی، یک معادله دیفرانسیل تنظیم و حل می‌شود. برای مدل جریان مغشوش از مدل اصلاح شده ke با درنظرگرفتن اثرات جریان‌های سطح آزاد استفاده شده است. همچنین مدلی تجربی از یک مخزن واقعی برای تایید پیشگویی‌های شبیه‌سازی ارایه شده است. بررسی‌ها، نشان از انطباق قابل قبول نتایج تجربی و عددی دارند. علاوه بر این نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از بافل‌های عمودی تا 50% می‌توان نوسانات ناشی از این پدیده را کاهش داد.

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

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 twophase 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 ke model is used by considering the effects of freesurface 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.