Sloshing
Por:
Marcelo de Almeida Santos Neves (1) masn@peno.coppe.ufrj.br
Miguel Angel Celis Carbajal (2) mcelis@peno.coppe.ufrj.br
En hidrodinámica, nos referimos como sloshing a los movimientos de liquidos dentro de recipientes debido a los movimientos del recipiente. El líquido dentro de un recipiente en movimiento tiene una superfície libre en movimiento, constituyendo un problema dinamico de slosh. En ingeniería naval nos referimos al movimiento de la superficie libre del fluido dentro de un compartimiento del navío y la dinámica del fluido interno que interactua con el navío e influye en la estabilidad dinámica del navío.
Este efecto es extensamente investigado a nivel matemático, numerico y experimental, ya que un navío que transporta liquidos experimenta cambios en su estabilidad, sobre todo, en situaciones desfavorables como resonancia parametrica y broaching. Dentro de los metodos numericos es utilizado CFD (computational fluid dynamics) y FEM (finite element methods) que resuelven la interaccion entre la estructura del casco flexible y problema de sloshing.
Figura 1: Sistema de referencia del compartimiento con efecto de Sloshing
Sloshing es un efecto consecuencia de la interacción mutua entre las olas de mar que inducen movimiento al navío y el fluido dentro de los compartimentos a su ves generan cargas e impactos sobre el navío, es notado la importancia de la forma del compartimiento, el problema basico en sloshing es calcular la distribución de presión hidrodinámica y las fuerzas y momentos como la frecuencia natural de la superficie libre del liquido, con esta información se puede calcular la influencia que estos efectos tienen en la estabilidad dinamica del navío.
Muchas instituciones se encuentran en constante investigacion, como es el caso de MARINTEK que en cooperación con la Universidade de Noruega NTNU estan sumando esfuerzos para investigar este fenómeno, buscando analizar las cargas originadas sobre navios tipo LNG carrier, sus avances son de tipo experimental como numerico.
Figura 2: Modelos reducidos de Sloshing
Navío tanque con efecto de Sloshing
Moonpool con efecto de Sloshing
Sin embargo es de suma importancia hacer el analisis de los efectos de esloshing en caso de que el navio se encuentre cerca de zonas de resonancia parametrica. De la misma forma es interesante ver la influencia que los efectos de sloshing tienen en tanques estabilizadores del movimiento de rolido, y ver los efectos de la superficie libre del mismo.
Figura 4: Efecto de Sloshing en un catamarán
Figura 5: Efecto de Sloshing angulo de incidencia 90º
2 -Alumno de Doctorado en Ingeniería Oceanica en la Univerisdad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
Marcelo de Almeida Santos Neves (1) masn@peno.coppe.ufrj.br
Miguel Angel Celis Carbajal (2) mcelis@peno.coppe.ufrj.br
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RESUMEN
RESUMEN
En hidrodinámica, nos referimos como sloshing a los movimientos de liquidos dentro de recipientes debido a los movimientos del recipiente. El líquido dentro de un recipiente en movimiento tiene una superfície libre en movimiento, constituyendo un problema dinamico de slosh. En ingeniería naval nos referimos al movimiento de la superficie libre del fluido dentro de un compartimiento del navío y la dinámica del fluido interno que interactua con el navío e influye en la estabilidad dinámica del navío.
Este efecto es extensamente investigado a nivel matemático, numerico y experimental, ya que un navío que transporta liquidos experimenta cambios en su estabilidad, sobre todo, en situaciones desfavorables como resonancia parametrica y broaching. Dentro de los metodos numericos es utilizado CFD (computational fluid dynamics) y FEM (finite element methods) que resuelven la interaccion entre la estructura del casco flexible y problema de sloshing.
Figura 1: Sistema de referencia del compartimiento con efecto de Sloshing Sloshing es un efecto consecuencia de la interacción mutua entre las olas de mar que inducen movimiento al navío y el fluido dentro de los compartimentos a su ves generan cargas e impactos sobre el navío, es notado la importancia de la forma del compartimiento, el problema basico en sloshing es calcular la distribución de presión hidrodinámica y las fuerzas y momentos como la frecuencia natural de la superficie libre del liquido, con esta información se puede calcular la influencia que estos efectos tienen en la estabilidad dinamica del navío.
Muchas instituciones se encuentran en constante investigacion, como es el caso de MARINTEK que en cooperación con la Universidade de Noruega NTNU estan sumando esfuerzos para investigar este fenómeno, buscando analizar las cargas originadas sobre navios tipo LNG carrier, sus avances son de tipo experimental como numerico.
Figura 2: Modelos reducidos de Sloshing
Para un analisis mas profundo del probelma de Sloshing en un compartimiento del navio puede utilizarse CFD que resuelve la ecuacion de Navier Stokes mostrada en la ecuación (1), de forma simplificada, además de utilizar la una malla computacional del compartimento, se utiliza las ecuaciones que permitan relacionar las fuerzas y momentos generados en el compartimiento debido a los efectos de sloshing y las equaciones de movimientos del navio, las ecuaciones del movimientos son resueltos en el dominio del tiempo. Los efectos de sloshing no solo son encontrados en recipientes cerrados como es el caso de un compartimiento del navío, en caso de un catamaran existen los efectos de sloshing entre los cascos, asi también se observa en el caso de un moonpool (monoboya con piscina) ver Figura 3 y 4.
Navío tanque con efecto de Sloshing
Moonpool con efecto de SloshingFigura 3
Acoplamiento entre sloshing y los movimientos del navio
Un tanque que pertenece al navio y que se encuentra parcialmente lleno puede causar acoplamientos con los movimientos del navio debido al sloshing. Además también puede conbinarse los movimientos de sloshing con la ola inducida, el problema de sloshing puede analizarse en el dominio de la frecuencia de forma lineal considerando la masa adicional del navio y la masa adicional debido al tanque que esta con efecto de sloshing, no existen modificaciones en el amortiguamiento debido a que el amortecimiento es mas asociado a la ola de radiación, pero también podemos representar el problema de sloshing como si fuera un efecto de la restauración.
Journe (1983) presento comparaciones entre datos experimentales y numericos del movimiento en rolido para un navio LNG carrier. Este modelo en 6 grados de libertad, las aproximaciones fueron muy buenas entre las respuestas encontraras entre el modelo experimental y numerico, sin embargo la frecuancia natural en rolido del navío fue cerca de la mitad de la frecuencia mas baja del liquido del tanque. Esto significo que la resonancia no linear de sloshing no es significante en relación al periodo de la resonancia de rolido del navío.
Un tanque que pertenece al navio y que se encuentra parcialmente lleno puede causar acoplamientos con los movimientos del navio debido al sloshing. Además también puede conbinarse los movimientos de sloshing con la ola inducida, el problema de sloshing puede analizarse en el dominio de la frecuencia de forma lineal considerando la masa adicional del navio y la masa adicional debido al tanque que esta con efecto de sloshing, no existen modificaciones en el amortiguamiento debido a que el amortecimiento es mas asociado a la ola de radiación, pero también podemos representar el problema de sloshing como si fuera un efecto de la restauración.
Journe (1983) presento comparaciones entre datos experimentales y numericos del movimiento en rolido para un navio LNG carrier. Este modelo en 6 grados de libertad, las aproximaciones fueron muy buenas entre las respuestas encontraras entre el modelo experimental y numerico, sin embargo la frecuancia natural en rolido del navío fue cerca de la mitad de la frecuencia mas baja del liquido del tanque. Esto significo que la resonancia no linear de sloshing no es significante en relación al periodo de la resonancia de rolido del navío.
Sin embargo es de suma importancia hacer el analisis de los efectos de esloshing en caso de que el navio se encuentre cerca de zonas de resonancia parametrica. De la misma forma es interesante ver la influencia que los efectos de sloshing tienen en tanques estabilizadores del movimiento de rolido, y ver los efectos de la superficie libre del mismo.
Figura 4: Efecto de Sloshing en un catamaránExiste la posibilidad de hacer analisis de los efectos de sloshing en el movimiento del navio de desvío, ver referencia 3, en este trabajo se utilizo de forma experimental una caja rectagular, los datos obtenidos mostraron la importancia que los efectos de sloshig hacian en la respuesta del movimiento de desvío del navío.
En la Figura 5 podemos apreciar el comportamiento de la fuerza generadas debido al efecto de sloshing en un navío cuando es excitado con ondas transversales.
Figura 5: Efecto de Sloshing angulo de incidencia 90ºSloshing en la piscina de un crucero
Projecto en marcha.
1- Departamento de Ingeniería Naval y Oceanica, Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
1- Departamento de Ingeniería Naval y Oceanica, Universidad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
2 -Alumno de Doctorado en Ingeniería Oceanica en la Univerisdad Federal de Rio de Janeiro COPPE - UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil.
Referencia:
1- Liquid Sloshin Dynamics by Roauf A. Ibrahim, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS.
3- Coupling of sloshing and ship motions. Rognebakke, O F Faltinsen, O M. Journal of Ship Research. Vol. 47, no. 3, pp. 208-221. Sept. 2003