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사각용기의 슬로싱 유동에 관한 연구
Study of Sloshing Flow in a Rectangular Tank 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.6 = no.309, 2011년, pp.617 - 624  

지영무 (한국과학기술원 기계공학과) ,  신영섭 (한라대학교 컴퓨터 응용 설계학과) ,  박준상 (한라대학교 기계공학과) ,  현재민 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 사각용기 내에서의 자유표면을 갖는 2차원 슬로싱 문제에 대하여 고찰하였다. 용기 내부의 유동은 수평방향의 조화운동을 통해 형성되며, 외부 가진 속도는 u=Asin($2{\pi}ft$)으로 정의 된다. 여기서 u, A�� 그리고 f는 외부로부터 작용하는 가진 속도, 변위 그리고 주파수를 각각 나타낸다. 큰 변위(A~O(1)) 슬로싱 문제의 해석을 위한 실험설비를 구축하였으며, 광범위한 영역에서의 PIV실험을 수행하였다. 실험을 통해 자유표면의 움직임(motion)을 각각 서로 다른 물리적 특성을 갖는 세 가지; 선형 슬로싱의 자유표면의 움직임과 유사한 standing wave motion, 사각용기의 속도가 0을 지나는 순간(the moment of turn-over) 측벽에서 발생하는 run-up motion 그리고 측벽으로부터 내부유체로 점차적으로 전파되는 bore motion으로 분류하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The two-dimensional sloshing problem in a rigid rectangular tank with a free surface is considered. The flow is generated by a container in harmonic motion in time along the horizontal axis, i.e., a container excited by u=Asin($2{\pi}ft$) where u denotes the container velocity imposed ext...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 이전의 연구에서 거의 조사되지 않은, 유동영역인 점성효과와 가진 변위가 큰 경우(L/S ∼ O(1))에 대한 정상상태실험을 통해 큰 변위를 갖는 2차원 슬로싱 문제의 물리적 특성과 자유표면의 시간변화에 따른 거동을 설명하려 한다.
  • 본 연구에서는 큰 가진 변위를 갖는 비선형 슬로싱에 대한 물리적 특성과 자유 표면 유동의 시간 변화에 따른 거동을 실험적으로 살펴보았다. 한 주기를 3단계로 구분하여 각각의 경우에 수력 도약, front의 발달 등을 설명하였으며 선형 문제와는 다르게 front의 발달 후 유동은 자유표면 근처에서 발생하는 표면파(near surface wave)에 의한 유동과 외력과 같은 위상으로 진동하는 내부 bulk유동에 의한 전형적인 슬로싱 유동으로 나누어짐을 확인하였다.
  • 이것은 본 실험이 이전 연구와 비교하여 비교적 낮은 레이놀즈수와 낮은 웨버수에서 행해진 결과로 보이며, 점성효과 혹은 표면장력효과가 측벽에서의 run-up 프로세스를 안정화시켜 높은 Froude수까지 2차원 유통을 유지시킨 결과로 예측되며, 점성효과와 표면장력효과 중 어느 것이 더 큰 역할을 했는지는 아직 불분명하다. 이 문제에 대한 답은 이후의 논문으로 넘기고, 본 논문에서는 심수조건의 이차원 슬로싱에서 발생하는 수력도약에 관련된 파운동 및 내부유동에 대한 현상학적 고찰을 하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유체의 슬로싱이란 무엇인가? 유체의 슬로싱(sloshing)은 많은 역학계 및 공학 문제에서 고려되어야 하는 현상으로 용기(tank)를 부분적으로 채우고 있는 유체가 외부 가진에 의해 출렁거리는 현상을 말한다. 지진에 의한 저장 탱크 내 유체 진동, 항공기나 로켓등의 연료탱크 내의 연료의 움직임 그리고 LNG 수송선등이 대양을 항해 할 때 파도에 의해 발생하는 LNG의 움직임 등이 이에 속한다.
외력에 의한 요동이 유체의 공진 주파수와 가까워질수록 슬로싱의 영향이 커지면 어떠한 문제가 발생하는가? 지진에 의한 저장 탱크 내 유체 진동, 항공기나 로켓등의 연료탱크 내의 연료의 움직임 그리고 LNG 수송선등이 대양을 항해 할 때 파도에 의해 발생하는 LNG의 움직임 등이 이에 속한다. 외력에 의한 요동이 유체의 공진 주파수와 가까워질수록 슬로싱의 영향은 커지며 이 경우 시스템의 구조적 안정성 및 항공기 등의 조종안정성에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
유체의 슬로싱 현상에는 어떤 것들이 있는가? 유체의 슬로싱(sloshing)은 많은 역학계 및 공학 문제에서 고려되어야 하는 현상으로 용기(tank)를 부분적으로 채우고 있는 유체가 외부 가진에 의해 출렁거리는 현상을 말한다. 지진에 의한 저장 탱크 내 유체 진동, 항공기나 로켓등의 연료탱크 내의 연료의 움직임 그리고 LNG 수송선등이 대양을 항해 할 때 파도에 의해 발생하는 LNG의 움직임 등이 이에 속한다. 외력에 의한 요동이 유체의 공진 주파수와 가까워질수록 슬로싱의 영향은 커지며 이 경우 시스템의 구조적 안정성 및 항공기 등의 조종안정성에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Faltinsen, O. M., 1978, "A Numerical Nonlinear Method of Sloshing in Tanks with Two Dimensional Flow," J. Ship Res., Vol. 22, No. 3, pp. 193-202. 

  2. Faltinsen, O. M. and Timokha, A. N., 2001, "Adaptive Multimodal Approach to Nonlinear Sloshing in a Rectangular Tank," J. Fluid Mech., Vol. 432, pp. 167-200. 

  3. Hill, D. F., 2003, "Transient and Steady State Amplitude of Forced Waves in Rectangular Basins," Phys. Fluid, Vol. 15, No. 6, pp. 1576-1587. 

  4. Verhagen, H. G. and Wijingaarden, L., 1965, "Non-Linear Oscillation of Fluid in a Container," J. Fluid Mech., Vol. 22, No. 4, pp. 737-751. 

  5. Okamoto, T. and Kawahara, M., 1990, "Two Dimensional Sloshing Analysis by Lagrangian Finite Element Method," Int. J. Numer. Method Fluid, Vol. 11, No. 5, pp. 453-477. 

  6. Akyildiz, H. and Unal, E., 2005, "Experimental Investigation of Pressure Distribution on a Rectangular Tank Due to the Liquid Sloshing," Ocean Eng., Vol. 32, No. 11, pp. 1503-1516. 

  7. Solaas, F. and Faltinsen, O. M., 1997, "Combined Numerical and Analytic Solution for Sloshing in Two-Dimensional Tanks of General Shape," J. Ship Res., Vol. 41, No. 2, pp. 118-129. 

  8. Chen, B. F. and Nokes, R., 2005, "Time-Independent Finite Difference Analysis of Fully Non-Linear and Viscous Fluid Sloshing in a Rectangular Tank," J. Comput. Phys., Vol. 209, No. 1, pp. 47-81. 

  9. Wu, G. X., Ma, Q. M. and Taylor, R. E., 1998, "Numerical Simulation of Sloshing Waves in a 3D Tank Based on a Finite Element Method," Appl. Ocean Res., Vol. 20, No. 6, pp. 337-355. 

  10. Benjamin, T. B. and Feir, J. E., 1967, "The Disintegration of Wave Trains on Deep Water. Part 1. Theory," J. Fluid Mech., Vol.27, pp. 417-430. 

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