Flüssigkeitsschwall bezieht sich auf die Bewegung der Flüssigkeit innerhalb eines Containers als Reaktion auf die Bewegung des selbigen. Dieses Phänomen ist in Industriezweigen wie der See- und der Automobilindustrie weit verbreitet und umfasst LNG-Tanks auf Schiffen bzw. Kraftstofftanks in Fahrzeugen. Der Flüssigkeitsschwall erfolgt als Reaktion der Flüssigkeit auf eine Richtungsänderung, die dynamische Kräfte an den Behälterwänden erzeugt.
Experiment
Die folgende Abbildung illustriert die Geometrie des Experiments. Der Behälter misst 0,9 mal 0,508 Meter, wobei sein Drehzentrum bei x = 0,45 Metern festgelegt ist und sich um seine z-Achse dreht, wie in der untenstehenden Abbildung gezeigt. Im Experiment wird der Druck an 6 Positionen gemessen, in der Simulation wird davon nur 1 Sensor verwendet, positioniert wie in der Abbildung dargestellt (grüner Punkt). Das Diagramm zeigt die Winkelgeschwindigkeit über die Zeit. Eine detaillierte Beschreibung des Experiments ist bei Delorme et al. zu finden.
Beschreibung des Simulationsaufbaus
Eine zweidimensionale Simulation wird erstellt, um das Schwappen im Behälter zu modellieren. Die fluide Region wird mit einer isothermen Flüssigkeit simuliert. Ein Drucksensor befindet sich in der Simulation an der gleichen Position wie Sensor 1 im Experiment. Die Druckmesswerte von diesem Sensor werden später verwendet, um simulierte und experimentell ermittelte Druckwerte zu vergleichen. Der Flüssigkeitspegel am Anfang ist 93 mm. Der Partikelradius ist mit 0,002 m definiert, was eine Gesamtzahl von 5175 Partikeln zur Folge hat. Die Schwerkraft wirkt in die negative y-Richtung mit einer Stärke von -9,8 m/s². Alle in der Simulation verwendeten Einstellungen sind in der folgenden Tabelle detailliert aufgeführt.
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Simulationsdauer | 8,3 s |
| Partikelradius | 0,002 m |
| Dichte der Flüssigkeit | 998 kg/m3 |
| Kinematische Viskosität | 0,896E-6 m2/s |
| Schwerkraft | 9,81 m/s2 |
Vergleich der Simulationsergebnisse mit dem Experiment
Druckmessungen am Sensor 1 werden aus dem Experiment mit Simulationsergebnissen verglichen. Ein erster Blick auf die Druckverteilung im folgenden Video zeigt die Bewegung, die die Flüssigkeit während der Drehung des Tanks erfährt. Die Druckverteilung ist gleichmäßig. Das Diagramm zeigt den Vergleich der transienten Druckwerte, die aus dem Experiment von Delorme et al. erhalten wurden, und den Simulationsergebnissen. Es zeigt 5 Drucksteigerungen, wobei 4 davon einen scharfen und hohen Druckanstieg aufweisen. Den Zeitpunkt der Druckanstiege wird durch die Simulation perfekt erfasst. Die Bewertung der Druckhöhe ist jedoch schwierig. Die Druckspitzen sind extrem scharf, sodass sie in der Simulation und wahrscheinlich auch in Experimenten nur schwer genau erfasst werden können. Insgesamt lässt sich dennoch sagen, dass die Druckspitzen quantitativ gut erfasst werden, mit einer Unterschätzung der ersten und einer leichten Überschätzung der letzten Spitzen. Auch die Entwicklung des Drucks direkt nach dem Aufprall wird sehr gut erfasst, sowohl quantitativ als auch in zeitlicher Hinsicht.
