Ballotement de réservoir à l'aide de SOLIDWORKS Flow Simulation

Un pétrolier partiellement rempli se déplace à grande vitesse, puis s'arrête brusquement. Le liquide dans le réservoir continue d'avancer, heurtant les parois, puis se dissipant graduellement par vagues. Quelle force exerce-t-il sur le réservoir ? Combien de temps prend-il à se dissiper ? Une conception particulière du déflecteur dans le réservoir pourrait-elle réduire la force globale, les turbulences et le temps de stabilisation ? Pour en savoir plus sur le ballottement des réservoirs, consultez la sectionSimulation SOLIDWORKS.

La théorie

Le réservoir contient deux fluides non miscibles et homogènes, comme l'eau et l'air. L'interface entre les deux est appelée surface libre, terme utilisé par SOLIDWORKS Flow Simulation pour désigner la méthode de calcul intégrée au programme.

La simulation de surface libre avec écoulement permet de simuler des surfaces libres à l'aide de la technique du volume de fluide, permettant ainsi de suivre le ballottement d'un réservoir au fil du temps. Les concepts non pris en compte dans le calcul sont les transitions de phase, comme l'évaporation de l'eau en vapeur, et la tension superficielle, comme la formation et l'adhérence de gouttelettes d'eau. Dans le court laps de temps où se produit la majeure partie du mouvement, dans ce scénario, moins de 10 secondes, l'évaporation, la condensation, la formation de gouttelettes et la formation de ménisques sont considérées comme négligeables.

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Une conception de base sans déflecteurs est comparée à trois conceptions distinctes avec déflecteurs. Les conceptions 1 et 2 présentent respectivement une surface ouverte de 1 830 po² et 1 980 po². La conception 3 combine les deux conceptions, augmentant ainsi sa surface longitudinale pour atteindre une surface totale ouverte de 2 575 po².

Figure 1. Conception 1 (à gauche), conception 2 (au milieu), conception 3 (à droite). Configurations possibles des déflecteurs.

Conditions initiales : On considère que le réservoir se déplace latéralement dans la direction +X. Le volume initial d'eau au fond du réservoir est d'environ 270 gallons américains. On suppose que le réservoir est rempli d'eau et d'air.

Analyse: Le réservoir est positionné horizontalement, la gravité étant orientée dans la direction -Y, comme illustré à la figure 2. À l'instant 0, le camion-citerne freine, provoquant un clapotis de l'eau vers la droite, dans la direction +X. Le freinage est simulé avec une courbe d'accélération dans la direction +X, comme illustré au tableau 1. La charge g est appliquée sur 4 secondes, avec un pic à 0,5 g, une charge g courante pour un conducteur moyen. L'analyse est effectuée pendant 10 secondes afin d'observer les charges au freinage et le temps nécessaire à la stabilisation de l'eau dans le réservoir.

Résultats suivis: L'énergie turbulente moyenne, les forces dans les directions X, Y et Z, ainsi que les couples dans ces directions, sont suivis au fil du temps. Grâce à ces résultats, nous déterminerons quelle conception de déflecteur stabilise l'eau le plus rapidement et produit les forces de réaction les plus faibles sur le réservoir, et donc sur le reste du navire.

Figure 2. La gravité est dans la direction -Y et la direction du mouvement est dans la direction +X. Le couple positif (Z) est dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.

Tableau 1. Accélération dans la direction +X au fil du temps.

Résultats CFD du ballottement des réservoirs

En comparant visuellement les animations, on constate un temps de stabilisation plus long pour la ligne de base, mais les charges de force et de couple sont difficiles à estimer.

Les résultats numériques nous permettent de mieux comparer les charges de réaction et l'énergie turbulente. Une moyenne de cinq points de données a été calculée afin de lisser les pics. Dans le tableau 2, les forces s'atténuent plus rapidement dans les conceptions de chicanes. Les trois conceptions de chicanes produisent des résultats de force similaires, avec une charge de pointe inférieure à la valeur de référence.

Tableau 2. Force direction X au fil du temps.

Pour déterminer plus précisément quelle conception était la plus judicieuse, on peut observer le couple autour de l'axe Z, ou le moment de tangage. Les valeurs de lacet et de roulis étant bien inférieures au moment de tangage, elles ne seront pas abordées ici. Le tableau 3 montre que le couple maximal de référence est proche de 70 000 in-lbf, et que les trois conceptions restent inférieures. La conception 1 présente le pic le plus bas et la réduction la plus rapide jusqu'à 0 in-lbf. La conception 2 présente un amortissement supérieur à la conception 3, en raison de la plus petite surface ouverte dans le sens du mouvement.

Tableau 3. Couple (Z), moment de tangage au fil du temps.

Sur la base de ces résultats, nous envisageons de passer de la conception 1 à la phase suivante de conception, où le moment de roulement serait analysé lors d’une courbe inclinée.

Pour plus de précision, le graphique final (tableau 4) présente l'énergie turbulente moyenne globale au fil du temps. Les pics globaux sont semblables pour toutes les conceptions, la conception 3 produisant les valeurs les plus élevées entre 2 et 6 secondes. La conception 1 atteint les valeurs les plus basses sur 10 secondes.

Tableau 4. Énergie turbulente moyenne globale au fil du temps.

En fin de compte, grâce à SOLIDWORKS Flow Simulation, nous sommes en mesure d’utiliser des résultats visuels et numériques pour déterminer quelle conception de déflecteur correspond le mieux à nos objectifs de conception.

Quelle conception pensez-vous être la meilleure ? Et comment modifieriez-vous davantage les déflecteurs pour réduire les charges de réaction sur le réservoir ?

Si vous êtes curieux de savoir de quoi SOLIDWORKS Flow Simulation est capable, si vous avez besoin d'un mode d'emploi pour les analyses contenant plusieurs phases de fluide ou si vous souhaitez un cas d'utilisation avec une conception itérative et des résultats comparés, rejoignez-nous pour notre prochain webinaire où nous discuterons de cette même étude de ballottement de réservoir.

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