사각탱크 내 슬로싱 저감을 위한 투과성 내부재 효과에 관한 실험적 연구

Abstract

배, 비행기, 자동차 등 여러 운송수단들은 이동 중에 바람, 파도 등과 같은 외력이 작용하면 탱크 내에 채워진 유체의 유동이 일어나 운송수단의 내구성과 안정성에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 현상을 슬로싱(Sloshing) 현상이라 한다. 본 논문에서는 탱크 내 슬로싱 현상을 줄이는 방법으로 직립형 투과성 내부재를 사용하였다. 투과성 내부재의 특성에 따른 슬로싱 억제 효과를 확인하기 위하여 내부재의 종류, 공극율, 설치 개수와 배치 방법 등을 변경하면서 모형실험을 수행하였다. 모형실험을 통하여 측정된 탱크 내 수위와 압력은 경계요소법을 (Boundary Element Method) 이용한 수치해석 결과와 비교하였다. 탱크 벽면에서 측정된 수위와 압력은 내부재의 공극율과 설치 개수 및 배치 방법에 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 투과성 내부재 1개를 탱크 중앙 바닥 면에 설치한 경우 공진주기에서 수위와 압력이 크게 감소하였으나 내부재를 2개 이상 설치한 경우에 대한 슬로싱 억제 효과는 내부재 1개에 비하여 크지 않았다. 공극율이 작은 경우에는 탱크 내 유체의 고유주기가 불투과성 내부재를 설치한 경우에 대한 유체의 고유주기와 비슷하고 공극율이 특정 값을 넘어서면 내부재가 없는 순수한 탱크 내의 슬로싱 특성을 보였다. 내부재를 일정 깊이 잠기게 설치한 경우 내부재의 하부를 통하여 유체가 자유롭게 이동할 수 있으므로 공극율에 관계없이 내부재가 없는 순수한 탱크의 슬로싱 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 공극율이 약 0.1에서 0.2사이에 있는 투과성 내부재가 슬로싱 억제 성능이 가장 우수함을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 즉, 슬로싱 현상을 억제하는데 최적인 공극율이 존재함을 의미한다. 끝으로 모형실험을 통해 측정한 수위와 압력 결과는 수치해석 결과와 정성적으로 잘 일치하여 수치해석방법의 타당성을 검증할 수 있었다. 수치해석은 자유표면의 비선형 현상 탱크 내의 점성효과를 고려하지 못함으로 실험결과와 정량적인 값 차이는 존재한다. 그러나 위 결과들은 앞으로 슬로싱 저감을 위한 내부재 개발에 필요한 기초 자료을 제공하는데 도움을 줄 것으로 생각된다.

When the external forces (wave, wind) excite vehicles such as ship, airplane and cars, the fluid flow inside a tank can cause the instability or structural damage of vehicles. This phenomenon is called sloshing. In this thesis, the vertical porous baffles were used to reduce the sloshing in a rectangular tank. In order to investigate the sloshing reduction effect of vertical porous baffle, small-scaled model tests were conducted with two kinds of baffle (punched plate, slotted plate) for various values of porosity, installation position, and number of porous baffles. The experimental results were compared to the numerical results based on the boundary element method (BEM). The experimental results show that both the water elevation and pressure measured at tank wall are influenced greatly by the porosity, number, and position of porous baffles. When one porous baffle was installed with submergence depth equal to the bottom at the center of tank, the water elevation and pressure decrease at resonance period due to the energy dissipation effect across the porous baffle. An increase of the number of porous baffle does not improve the sloshing reduction than expected. In case of low value of porosity, the peaks appear at resonant periods like the impermeable baffle. When the porosity of porous baffle exceeds a specific value, the sloshing characteristics of the pure-tank appear as shown in experimental results. When the porous baffle was submerged at 5cm from the bottom, the water particles under the baffle can move back and forth freely so that the sloshing characteristics resemble the pure-tank regardless of the porosity. Especially, the experimental results indicate that the porous baffle with the porosity ranged from 0.1 to 0.2 can significantly reduce the violent resonant sloshing in a tank, that is, there exists optimal porosity suitable for sloshing reduction. Lastly, the experimental results are in good agreement with numerical results using BEM. As the numerical solution can not consider not only the non-linear effect generated at free surface but also the viscous effect at the tank wall, the discrepancies between the experimental and numerical results are inevitable. In spite of these weaknesses, the numerical solutions will be used to supply the basic guideline for development of optimal baffle for the sloshing reduction in a tank.