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

Abstract

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 k-e 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 ۵۰% می‌توان نوسانات ناشی از این پدیده را کاهش داد.