Co je sloshing, jak se to zmírňuje?

Zkoumá se účinnost tlumiče TSD (Tned Sloshing Damper) při zmírňování vibrací způsobených větrem. Hodnotili jsme výkon z hlediska špičkových strukturálních posunů a zrychlení ve srovnání s tlumičem Tuned Mass Damper (TMD). Jeden scénář zatížení zohledňuje blížící se poryvy v důsledku přirozené turbulence, zatímco druhý předpokládá převládající víry při nízké intenzitě turbulence. Byla přijata známá pravidla optimálního ladění pro TSD a TMD. Zkombinovali jsme numerické modely pro tekutiny a struktury, abychom simulovali dynamické účinky způsobené zatížením větrem. Pro realistickou simulaci TSD byl použit přístup dvou tekutin Computational Fluid Dynamics (CFD). Byla zachycena interakce mezi prouděním, strukturním chováním a přidanými zařízeními. Všechny tyto výpočetní metody a příslušné modely představují nezbytné součásti modulárního a flexibilního simulačního prostředí. Studie ukazuje, že tento pracovní postup je vhodný pro modelování zahrnutí TSD a TMD a také pro zachycení účinku přechodného větru v plném rozsahu. Konkrétně jsme jej použili ke kvantifikaci účinnosti přidaných tlumičů. Tento proces zdůrazňuje problémy při správném vyladění TSD a jeho sníženou účinnost ve srovnání s TMD. Takový výsledek je přisuzován vodní mase a potenciálnímu přidanému tlumení, které je aktivováno pouze částečně. Výpočetní rámec slibuje schopnost vylepšit takové návrhy tím, že umožní numerickou optimalizaci pro lepší efektivitu.

1. Úvod

Naše práce představuje srovnávací studii účinnosti tlumičů TSD (Tned Sloshing Dampers) a tlumičů TMD (Tuned Mass Dampers). Důraz spočívá v posouzení účinnosti při snižování vibrací, konkrétně posunů a zrychlení, pro generickou výškovou konstrukci při zatížení větrem. V případě cílové stavby je zvolena budova B, což je standardní vysoká budova podle studie navržené Radou pro výzkum letectví Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) [1,2], později upravenou Mezinárodní asociací pro větrné inženýrství ( IAWE) [3,4]. Odtud jej označujeme jednoduše jako CAARC-B. Pro takové konstrukce existují dvě reprezentativní podmínky zatížení: jedna je přirozeně turbulentní přibližující se proudění větru a druhá je charakterizována nízkou (dokonce prakticky neexistující) přicházející turbulencí při kritické proudové rychlosti. Zatímco první kategorie obvykle vede k širokopásmovému buzení ve směru větru, druhý případ obecně vede k rezonanci pod úzkopásmovou silou, což znamená dominantní pohyby bočního větru. Naším cílem je realisticky modelovat fungování TSD pro účely hodnocení. Navíc ukazujeme, že modulární numerický pracovní postup je životaschopnou cestou při analýze přechodného zatížení konstrukcí, včetně přidaných tlumičů, a také při zachycení interakce mezi nimi. Protože se snažíme využít nejnovější pokroky v numerických přístupech, zaměřujeme se na použití a realistické modelování TSD pomocí Computational Fluid Dynamics (CFD). Takzvaná dvoutekutá (také známá jako dvoufázová – jedna je vzduch, druhá voda) formulace umožňuje zachytit sloshing a vlnobití způsobem adekvátním našim cílům. Podobné přístupy jsou zajímavé v různých případech hydrodynamických aplikací, jako je obecné modelování vln [5], oceánské inženýrství [6] nebo vícefázové proudění plynů a kapalin [7,8]. V našem projektu bylo provedeno srovnání mechanismů založených na sloshingu s TMD, protože taková zařízení představují dobře známé měřítko v principech fungování a účinnosti. Obě zařízení jsou navíc typicky nastavena na optimální parametry pro konkrétní pracovní podmínky, které působí pasivně. TSD představují speciální kategorii v rámci Tuned Liquid Dampers (TLD), které jsou spolu s TMD také obecně součástí Added Mass Dampers (AMD). Tyto prvky v podstatě dosahují zmírnění kombinací zvýšené setrvačnosti a dodatečného tlumení, které přispívají k „hostitelskému“ systému.

ČTĚTE VÍCE

Proč se mi za jízdy rozsvítila kontrolka baterie a auto zemřelo?

Vzali jsme tuto dobře zdokumentovanou strukturu pod zatížení větrem, optimálně vyladili pasivní TSD a TMD a simulovali přechodové a sdružené efekty pomocí specifického numerického prostředí. Za předpokladu, že obě zařízení přispívají stejné přidané hmotnosti (tj. přidaná hmotnost na konstrukci je stejná), je posouzena a diskutována charakteristická kinematika. Cílem je nastínit účinnost TSD ve srovnání s TMD za podobných a reprezentativních podmínek zatížení. Numerické nástroje jako součást Computational Wind Engineering (CWE) umožňují taková šetření, v neposlední řadě proto, že umožňují modulární přístup. Zatížení větrem bylo zachyceno pomocí Large Eddy Simulations (LES) (konkrétní CFD model, konkrétně formulace VMS-ASGS, jak je podrobně popsáno v [9]), zatímco chování konstrukce bylo hodnoceno pomocí Computational Structural Dynamics (CSD). Ty jsou spojeny tak, aby umožnily interakci mezi tekutinou a strukturou (FSI), konkrétně zajímavé pro případ rezonance vyvolané vírením. Mechanismus zpětné vazby není omezen pouze na reciproční vliv strukturálních deformací na podmínky zatížení větrem, ale musí být rozšířen i na spojení mezi budovou a AMD. Abychom to shrnuli, každému z těchto modelů bylo přiděleno vyhrazené numerické nastavení a řešič, který nejlépe vyhovoval jeho požadavkům, zatímco rozdělené schéma (s teorií a použitím důkladně diskutovanými v [10,11,12,13]) je spojuje do nejvhodnějšího způsob, jak zachytit interakci mezi nimi. Toto je ve svém základu přístup rozdělení a impera, harmonizovaný nedávnými pokroky ve výpočetní multifyzice. Numerické modely se řídí diskretizací založenou na formulacích pomocí metody konečných prvků (MKP). Naše příspěvky jsou částečně obsaženy v open-source projektu Kratos Multiphysics [14,15], což je společná výzkumná a vývojová aktivita. Zde vědci a inženýři spolupracují, konkrétně se snaží o modularitu a škálovatelnost. V závislosti na požadovaném výpočetním úsilí jsme navíc využili náš vývoj na infrastruktuře High Performance Computing (HPC). Naše simulace těží z možností, které umožňuje SuperMUC-NG.

2. Modelování TSD

Záměrem je realisticky modelovat a používat TSD k účinnému zmírnění vibrací způsobených větrem. Tato zařízení jsou v podstatě nádobami na kapaliny, kde pohyb v důsledku kmitání působí proti základnímu buzení konstrukce, ve které jsou namontována. TSD přispívají přidanou hmotou, tlumením a tuhostí, podobně jako TMD. Takové prvky se přidávají do výškových konstrukcí poblíž vrcholu. Konstrukční úvahy se spoléhají na znalost přesných strukturálních parametrů, které definují jejich vlastní deformační vzory. Konkrétně potřebujeme vypočítat konkrétní vlastní módy a implikovat správnou normalizaci. Obrázek 1 ukazuje tyto hlavní koncepty. Zde je také zahrnuta základní definice TSD, konkrétně označení počáteční výšky vody h 0 a definice vlny v čase t proměnlivou výškou h ( x , t ) pro slejvání ve směru x.

ČTĚTE VÍCE

Proč jsou CrossFit sportovci tak svalnatí?

Všechny vzorce potřebné pro návrh závisí na základní definici použité při definování TSD. Základní frekvenci sloshingu vody fw uvnitř TSD lze vyjádřit pomocí teorie lineárních vln [16],

f w = 1 2 π π g L tanh π h 0 L .

V rovnici (1) je g tíhové zrychlení a h 0 a L označují základní geometrické parametry počáteční výšky vody a délky nádrže. V následujícím textu a označuje amplitudu vodorovného posunutí, zatímco f e x t a ω e x t značí (kruhovou) frekvenci vnějšího buzení. Tři hlavní charakteristiky ovlivňující chování TSD jsou shrnuty v rovnici (2):

V této studii je navržen koncept zmírnění sloshing využívající výhody plovoucích vrstev pevných pěnových prvků. Fyzikální experimenty se provádějí v nádrži na kapalinu, aby se prozkoumal hydrodynamický mechanismus tohoto konceptu. Podrobně jsou analyzovány účinky tloušťky pěnové vrstvy, amplitudy buzení a frekvence buzení na vlastnosti sloshingu. Bylo zjištěno, že plovoucí vrstvy pevných pěnových prvků evidentně neovlivňují základní přirozenou frekvenci šlehání kapalinové nádrže mezi uvažovanými případy evidentně. V rezonančním stavu se maximální výška vlny a dynamický tlak výrazně snižují, když se zvyšuje tloušťka pěnové vrstvy. Tlakové složky vyššího řádu na straně nádrže postupně mizí s rostoucí tloušťkou pěnové vrstvy. Analyzovány jsou také případy s různými amplitudami buzení. Jev je pozorován, když je možné potlačení vlnobití v nádrži pevnými pěnovými prvky.

Toto je náhled obsahu předplatného, pro kontrolu přístupu se přihlaste přes instituci.

Přístup k tomuto článku

Cena včetně DPH (Německo)

Okamžitý přístup k celému článku ve formátu PDF.

Půjčte si tento článek přes DeepDyve

Reference

Akyildiz H., 2012. Numerická studie účinků vertikální přepážky na stříkání kapaliny ve dvourozměrné obdélníkové nádrži, Journal of Sound and Vibration, 331(1), 41–52. Článek Google Scholar
Arai M., Suzuki R., Ando T. a Kishimoto N., 2014. Studie výkonnosti plovoucího zařízení proti sloshingu pro nádrže LNG membránového typu. v: Guedes Soares, C. a Pena, F.L. (eds.), Vývoj v námořní dopravě a využívání mořských zdrojů, CRC Press, Boca Raton, s. 171. Google Scholar
Cho I.H. a Kim M.H., 2016. Účinek duálních vertikálních porézních přepážek na redukci sloshingu v houpající se obdélníkové nádrži, Ocean Engineering, 126, 364–373. Článek Google Scholar
Falahaty H., Khayyer A. and Gotoh H., 2018. Rozšířená částicová metoda s integrací napěťových bodů pro simulaci interakce nestlačitelné kapaliny a nelineární elastické struktury, Journal of Fluids and Structures, 81, 325–360. Článek Google Scholar
Faltinsen O.M., Firoozkoohi R. a Timokha A.N., 2011. Ustálené proudění kapaliny v obdélníkové nádrži s lamelovým sítem uprostřed: Kvazilineární modální analýza a experimenty, Fyzika tekutin, 23(4), 042101. ČlánekGoogle Scholar
Gotoh H. a Khayyer A., 2018. O nejmodernějších částicových metodách pro pobřežní a oceánské inženýrství, Coastal Engineering Journal, 60(1), 79–103. Článek Google Scholar
Goudarzi M.A. a Danesh P.N., 2016. Numerický průzkum vertikálně přepážkové obdélníkové nádrže při seismickém buzení, Journal of Fluids and Structures, 61, 450–460. Článek Google Scholar
Hasheminejad S.M., Mohammadi M.M. a Jarrahi M., 2014. Kapalné čvachtání v částečně naplněných příčně buzených kruhových nádržích vybavených přepážkami, Journal of Fluids and Structures, 44, 97–114. Článek Google Scholar
Hernández E. a Santamarina D., 2012. Aktivní kontrola slashingu v kontejnerech s pružnými přepážkami, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 91(6), 604-621. ČlánekMathSciNetMATHGoogle Scholar
Hosseini M., Goudarzi M.A. a Soroor A., 2017. Snížení seismického sloshingu v nádržích na skladování kapalin s plovoucí střechou pomocí Suspended Annular Baffle (SAB), Journal of Fluids and Structures, 71, 40–55. Článek Google Scholar
Hwang S.C., Park J.C., Gotoh H., Khayyer A. a Kang K.J., 2016. Numerické simulace sloshingových proudění s elastickými přepážkami pomocí metody analýzy interakce kapalina-struktura na bázi částic, Ocean Engineering, 118, 227–241. Článek Google Scholar
Jin H., Liu Y. a Li H.J., 2014. Experimentální studie o sloshingu v nádrži s vnitřní horizontální perforovanou deskou, Ocean Engineering, 82, 75–84. Článek Google Scholar
Jung J.H., Yoon H.S., Lee C.Y. and Shin S.C., 2012. Vliv výšky vertikální přepážky na kapalinu stříkající v trojrozměrné obdélníkové nádrži, Ocean Engineering, 44, 79–89. Článek Google Scholar
Khayyer A., Gotoh H., Falahaty H. a Shimizu Y., 2018. Vylepšená metoda spřažená ISPH-SPH pro simulaci interakcí nestlačitelné kapaliny a elastické struktury, Komunikace počítačové fyziky, 232, 139–164. ČlánekMathSciNetGoogle Scholar
Kim H., Parthasarathy N., Choi Y.H. a Lee Y.W., 2018. Snížení efektů sloshingu v obdélníkové nádrži prostřednictvím mechanismu zachycujícího vzduch – numerická studie, Journal of Mechanical Science and Technology, 32(3), 1049–1056. Článek Google Scholar
Kim Y., Kim S.Y., Hwang-Bo S.M., Chun S.E., Suh Y.S., Park J.J. a Lee Y.J. 2011. Testy sloshingu v měřítku modelu pro systém plovoucích přikrývek proti vyklouznutí, Sborník příspěvků z 21. mezinárodní konference Offshore and Polar Engineering Conference, International Society of Offshore and Polar Engineers, Maui, Hawaii, USA. Google Scholar
Koh C.G., Luo M., Gao M. a Bai W., 2013. Modelování kapalného sloshingu s omezenou plovoucí přepážkou, Počítače a struktury, 122, 270–279. Článek Google Scholar
Kumar A. a Sinhamahapatra K.P., 2016. Dynamika obdélníkového tanku s perforovanou vertikální přepážkou, Ocean Engineering, 126, 384–401. Článek Google Scholar
Lu L., Jiang S.C., Zhao M. and Tang G.Q., 2015. Dvourozměrná viskózní numerická simulace kapání kapaliny v obdélníkové nádrži s/bez přepážek a srovnání s potenciálními řešeními proudění, Ocean Engineering, 108, 662–677. Článek Google Scholar
Sanapala V.S., Rajkumar M., Velusamy K. a Patnaik B.S.V., 2018. Numerická simulace parametrického sloshingu kapaliny ve vodorovně přepážkovém obdélníkovém kontejneru, Journal of Fluids and Structures, 76, 229–250. Článek Google Scholar
Sauret A., Boulogne F., Cappello J., Dressaire E. a Stone H.A., 2015. Tlumení kapalného sloshingu pěnami, Fyzika tekutin, 27(2), 022103. ČlánekGoogle Scholar
Song W.H., Ning D.Z., Liu Y.L. and Bing T., 2012. Numerická simulace stříkání kapaliny v nádobě s přepážkami, Chinese Journal of Hydrodynamics, 27(1), 54–61. Google Scholar
Wang J.D., Lo S.H. and Zhou D., 2013. Sloshing kapaliny v tuhé válcové nádobě s několika pevnými prstencovými přepážkami: Laterální excitace, Journal of Fluids and Structures, 42, 421–436. Článek Google Scholar
Wang W.Y., Guo Z.J., Peng Y. a Zhang Q., 2016. Numerická studie účinků přepážek ve tvaru T na kapání kapaliny v horizontálních eliptických nádržích, Ocean Engineering, 111, 543–568. Článek Google Scholar
Wei Z.J., Faltinsen O.M., Lugni C. a Yue Q.J., 2015. Slamming vyvolaný sloshingem v obdélníkových nádržích vybavených síty v podmínkách mělké vody, Fyzika tekutin, 27(3), 032104. ČlánekGoogle Scholar
Xue M.A., Zheng J.H., Lin P.Z. a Yuan X.L., 2017. Experimentální studie na vertikálních přepážkách různých konfigurací při potlačování tlaku sloshing, Ocean Engineering, 136, 178–189. Článek Google Scholar
Yu Y.M., Ma N., Fan S.M. a Gu X.C., 2017. Experimentální a numerické studie sloshingu v nádrži LNG membránového typu se dvěma plovoucími deskami, Ocean Engineering, 129, 217–227. Článek Google Scholar
Zhang C.W., 2015. Analýza sloshingu kapaliny v nosiči LNG s klínovitými nádržemi, Ocean Engineering, 105, 304–317. Článek Google Scholar

ČTĚTE VÍCE

Je lepší garážová vrata nastříkat nebo rolovat?

Informace o autorovi

Autoři a přidružení

State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, Čína De-zhi Ning, Peng Su & Chong-wei Zhang
Státní klíčová laboratoř hydrologie-vodních zdrojů a hydraulického inženýrství, Univerzita Hohai, Nanjing, 210098, Čína De-zhi Ning, Peng Su & Chong-wei Zhang

De-zhi Ning

Tohoto autora můžete také vyhledat ve službě PubMed Google Scholar
Tohoto autora můžete také vyhledat ve službě PubMed Google Scholar
Tohoto autora můžete také vyhledat ve službě PubMed Google Scholar

Odpovídající autor

Další informace

Položka nadace: Tato studie je finančně podporována National Natural Science Foundation of China (Grant č. 51709038, 51679036 a 51739010), Projekt financovaný China Postdoctoral Science Foundation (Grant č. 2018M630289) a Open Foundation of State Key Laboratory hydrologie-vodních zdrojů a hydrotechniky (č. grantu 2016490111).

Práva a oprávnění

O tomto článku

Citovat tento článek

Ning, Dz., Su, P. & Zhang, Cw. Experimentální studie konceptu zmírnění sloshing pomocí plovoucích vrstev pevných pěnových prvků. China Ocean Eng 33, 34–43 (2019). https://doi.org/10.1007/s13344-019-0004-x

Přijato: 29. července 2018
Revize: 21. září 2018
Přijato: 15. listopadu 2018
Zveřejněno: 31. ledna 2019
Datum vydání: březen 2019
DOI: https://doi.org/10.1007/s13344-019-0004-x