Investigation of Sloshing in partially filled tanks considering density ratio and phase transition effects
Geotechnics, Hydraulic Engineering
Final Report Abstract
In der Literatur wird davon ausgegangen, dass der Phasenwechsel Sloshing und Sloshing-induzierte Drücke auf Strukturen teilgefüllter LNG-Tanks beeinflusst. Diese Effekte wurden jedoch bisher kaum erforscht. Versuche mit LNG können bisher u.a. aus sicherheitstechnischen Gründen nicht durchgeführt werden. Ebenso gibt es bisher keine validierten mathematischen Modelle für Phasenwechsel in Zusammenhang mit Sloshing in LNG-Tanks. Zu dem Einfluss des Dichteverhältnisses auf die Sloshing-induzierten Drücke gabt es nur vereinzelt Untersuchungen in der Literatur, die wenig systematisch durchgeführt wurden. Außerdem wurde bisher der Einfluss des Dichteverhältnisses in Kombination mit dem Phasenwechsel nicht untersucht. Schließlich gab es bisher kaum Untersuchungen der Effekte die Viskosität auf Sloshing. Im Rahmen dieses Vorhabens ist es durch aufwendige und systematische Laborexperimente gelungen, die Effekte der Viskosität, des Dichteverhältnisses (Flüssig-Gas-Phase) und des Phasenwechsels auf Sloshing und Sloshing-induzierte Drücke zu untersuchen. Hierzu wurde unterschiedliche Fluiden eingesetzt. Für die Experimente zur Ermittlung des Einflusses des Phasenwechsels wurde ein Fluid verwendet, dessen Siedepunkt durch geringe Änderungen von Druck und/oder Temperatur realisiert wird. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Viskosität der flüssigen Phase und den Einschlagsdrücken nachgewiesen werden. Dieser Einfluss der Viskosität auf die Einschlagsdrücke ist jedoch moderat bis gering. Er dürfte daher in der Praxis für die Entwicklungen von Tanks eine untergeordnete Rolle spielen. Dennoch haben die beobachteten Zusammenhänge eine Relevanz für die Grundlagenforschung und für die Entwicklung numerischer Verfahren. Für das Dichteverhältnis konnte ein ausgeprägter Einfluss auf die Einschlagsdrücke nachgewiesen werden. Dies zeigte sich für eine große Bandbreite der untersuchten Tankbewegungen, von Einzelwelleneinschlägen mit unterschiedlicher Charakteristik über harmonische Bewegungen bis hin zu unregelmäßigen Bewegungen. Es konnte allerdings auch für einen einzelnen Fall gezeigt werden, dass der Zusammenhang für geringe Änderungen des Dichteverhältnisses nicht eindeutig war. Hieraus ziehen die Bearbeiter den Schluss, dass eine Kontrolle des Einflusses des Dichteverhältnisses bei speziellen Versuchen, insbesondere im Bereich der Grundlagenforschung sowie bei Modellversuchen für die Validierung numerischer Berechnungsverfahren, unbedingt empfehlenswert ist. Die Analyse der Versuche mit Flüssigkeiten in siedendem und nicht-siedendem Zustand zeigte für die Einzelwelleneinschläge einen klaren Einfluss auf die Einschlagsdrücke auf. Durch das Sieden sank der Einschlagsdruck in allen untersuchten Fällen gegenüber der Flüssigkeit ohne Phasenwechsel deutlich. Außerdem nahm die statistische Streuung der Messwerte zu. Auch bei den Versuchen mit siedenden Flüssigkeiten konnte gezeigt werden, dass das Dichteverhältnis einen signifikanten Einfluss auf die Einschlagsdrücke hat. Versuche mit speziellen Fluiden unter kombinierter Druck- und Temperaturvorgabe sowie mit Abscheidung des Kondensats konnten erfolgreich durchgeführt werden. Dennoch ist die Sicherstellung der benötigten Versuchsbedingungen in diesen Fällen mit einem hohen Aufwand verbunden und für längere Versuche eine Herausforderung. Die Summe der Erkenntnisse hat neue grundlegende Erkenntnisse über die Effekte der Fluideigenschaften und des Phasenwechsels auf Einschlagsdrücken bei Sloshing erbracht. Ferner dienen die Erkenntnisse einer Verbesserung der Versuchstechnik für Sloshing-Modellversuche und bilden eine Grundlage für weitere Arbeiten zur Erforschung der Skalierung zwischen Modell- und Großausführung. Schließlich hat die Vielzahl an fundierten Messdaten mit vielen Weiderholungen der Versuche einen hohen Wert für die Weiterentwicklung numerischer Rechenverfahren.
Publications
-
(2017). Experimental and Numerical Investigation of Sloshing Using Different Free Surface Capturing Methods. Applied Ocean Research, vol. 68, pp 307-324
Lyu, W., el Moctar, O., Potthoff, R., Neugebauer, J.
-
(2018). Investigation of the Motion Accuracy Influence on Sloshing Model Test Results. Int. Journal of Offshore and Polar Engineering, Bd. Vol. 28 No. 4, pp. 342-349
Neugebauer, J., Liu, S., Potthoff, R., el Moctar, O.
