Experimental and CFD Analysis of Sloshing in Water, Liquid Hydrogen and Liquified Natural Gas Tanks

Abstract

Slappfenomenet vann i rektangulært, og vann, flytende hydrogen (LH2), og flytende naturgass (LNG) i sylindriske tanker undersøkes og sammenlignes i denne oppgaven. Slappfenomenet i de delvis fylte tankene har utfordringer som må utredes. Disse problemene kan påvirke systemets ytelse og stabilitet. Når det gjelder effektivitet, er det raske trykkfallet som oppstår inne i tanken som forårsaker problemer som at man ikke får nok drivstoff til motoren og til slutt får motoren til å slå seg av, direkte relatert til intensiteten av skvulpende bevegelse inne i de delvis fylte drivstofftankene som f.eks. LNG- eller LH2-tanker. Når det gjelder stabilitet, kan intensiteten av bevegelse inne i tankene skade tankveggene og stabiliteten til systemet, og i denne oppgaven studeres slushing-fenomenet eksperimentelt og numerisk i delvis fylte tanker fylt med forskjellige væsker for å bestemme hvordan det skal undertrykkes alvorlighetsgraden av skuring inne i disse tankene.

På grunn av begrensningene ved bruk av LNG og LH2, er vann og luft valgt til å være hovedvæskene som brukes i den eksperimentelle delen av denne studien med den påførte stigningsbevegelsen på 4,8 grader på tanken og forskjellige fyllingsnivåer på 30 og 50 %. Den påførte momentkraften på den rektangulære tanken registreres under eksperimentene som skal brukes til å validere de numeriske resultatene. I tillegg til mønsterkorrespondansen, brukes de registrerte dataene fra forskjellige eksperimentelle tilfeller for å validere de numerisk innhentede dataene.

Den numeriske delen av oppgaven benytter CFD-metoden for å utføre simuleringene basert på volum av væske (VOF) flerfasemetoden. Turbulens 2D- og 3D-modellene til RANS brukes for å oppnå de numeriske resultatene. For å finne den mest alvorlige bevegelsen inne i tankene, brukes empiriske formler og metoder for å estimere den naturlige frekvensen og perioden for hvert fyllingsnivå og tanktyper. For å sikre at de empiriske formlene fungerer korrekt, legges andre eksitasjonsperioder til den estimerte naturlige perioden, og etter å ha funnet den riktige naturlige perioden, resultatene ved bruk av den naturlige perioden inkludert de pålagte hydrodynamiske kreftene og trykket på tankveggene, den frie overflatehøyden , og øyeblikkskraften påført tanken undersøkes.

For å undertrykke alvorlighetsgraden av skvulp, brukes to forskjellige typer ledeplater, inkludert de lave sentrale og sentrale ledeplatene, i den rektangulære tanken, og for den sylindriske tanken er kun den lave sentrale ledeplaten utplassert. Numeriske simuleringer av den rektangulære tanken dekker alle fyllingsnivåene på 30,50 og 70 % ved bruk av vann som hovedvæske, mens de sylindriske tanksimuleringene er begrenset til å bruke bare ett fyllingsnivå på 30 %, men med alle tre væsker med vann, LH2 og LNG for å kunne ha sammenligninger mellom oppnådde resultater fra alle væsketyper.

Alle de rektangulære tankplatene har vist seg å være effektive for å undertrykke skvulpintensiteten, men spalteplaten er funnet å være den mest effektive ved å ha en reduksjon på 59,5 % i de påførte kreftene på tankveggene. Den lave ledeplaten i den sylindriske tanken viser en effektivitet som varierer fra 18 til 25 prosent for å redusere de påførte kreftene på tankveggene.

For fremtidig arbeid siden spalteplaten viser høy effektivitet, kan den utviklede spalteplaten utplasseres i forskjellige posisjoner av tankene, samt inkludere flere bevegelsestyper og amplitude for å være mer nær de virkelige forholdene.

The sloshing phenomenon of water in rectangular, and water, liquid hydrogen (LH2), and liquefied natural gas (LNG) in cylindrical tanks are investigated and compared in this thesis. The sloshing phenomenon in the partially filled tanks has challenges that need to be studied. These problems can affect the system’s performance and stability. In terms of efficiency, the rapid pressure drop which occurs inside the tank causing issues such as not getting enough fuel to the engine and eventually causing the engine to shut down is directly related to the intensity of sloshing motion inside the partially filled fuel tanks such as LNG or LH2 tanks. In terms of stability, the intensity of motion inside the tanks can damage the tank walls and the stability of the system thus, in this thesis, the sloshing phenomenon is studied experimentally and numerically in partially filled tanks filled with different fluids to determine how to suppress the sloshing severity inside these tanks.

Due to the limitation of using LNG and LH2, water and air are selected to be the main fluids used in the experimental part of this study with the applied pitch motion of 4.8 degrees on the tank and different filling levels of 30 and 50%. The applied moment force on the rectangular tank is recorded during the experiments to be used for validating the numerical results. In addition to the patterns correspondence, the recorded data of different experimental cases are used to validate the numerically obtained data.

The numerical part of the thesis utilizes the CFD method to perform the simulations based on the volume of fluid (VOF) multi-phase method. The turbulence 2D and 3D models of RANS are applied to obtain the numerical results. To find the most severe motion inside the tanks, empirical formulas and methods are used to estimate the natural frequency and period for each filling level and tank types. To make sure that the empirical formulas work correctly, other excitation periods are added to the estimated natural period and after finding the correct natural period, the results using the natural period including the imposed hydrodynamic forces and pressure on the tank walls, the free surface elevation, and the moment force applied on the tank are investigated.

To suppress the sloshing severity, two different types of baffles including the low central and slot central baffles are used within the rectangular tank and for the cylindrical tank, only the low central baffle is deployed. Numerical simulations of the rectangular tank cover all the filling levels of 30,50, and 70% using water as the main fluid whereas, the cylindrical tank simulations are limited to use only one filling level of 30% but with all three fluids of water, LH2 and LNG to be able to have comparisons between the results achieved from all fluid types.

All the rectangular tank baffles are found to be effective in suppressing sloshing intensity, but the slot baffle is found to be the most efficient by having a 59.5% of reduction in the imposed forces on the tank walls. The low baffle in the cylindrical tank shows an efficiency ranges from 18 to 25 percent in reducing the imposed forces on the tank walls.

For future work since the slot baffle is showing high efficiency, the developed slot baffle can be deployed in different positions of the tanks as well as including more motion types and amplitude to be more close to the real conditions.