Przewóz substancji płynnych związany jest z dodatkowymi efektami wynikającymi z ruchu substancji w zbiorniku podczas zmiany kierunku i prędkości jazdy. Biorąc za przykład manewr zatrzymania, zgodnie z Zasadami Dynamiki Newtona, siła hamowania będzie musiała zrównoważyć siłę bezwładności pojazdu wraz z jego ładunkiem. W przypadku przewozu materiałów stałych, przy braku ich ruchu względem pojazdu, rachunek jest dosyć prosty. Siłę łatwo wyznaczyć za pomocą iloczynu masy hamowanej oraz opóźnienia. W przypadku materiałów sypkich lub płynów dochodzi tutaj jeszcze efekt związany z ruchem substancji w odpowiedzi na zmianę prędkości zbiornika. Skutkuje to obecnością ciężkich do przewidzenia zmian w całkowitej sile potrzebnej do wyhamowania pojazdu. Efekty te jednak możemy zasymulować przed wprowadzeniem zbiornika do produkcji aby wykryć możliwe zmiany konstrukcyjne, które mogłyby ograniczyć przesypywanie lub chlupotanie ładunku.
Podejście do analizy
W przypadku analizy przewozu płynów możemy wykorzystać narzędzie XFlow do symulacji zachowania się cieczy przy zadanym przebiegu przyspieszenia/opóźnienia. Zbadamy różne konstrukcje zbiornika w celu oceny wpływu jego projektu na poziom sił oddziaływujących na układ hamulcowy ciężarówki. XFlow posiada dedykowane modele do różnych przepływów z powierzchnią swobodną. Więcej informacji można uzyskać w tym artykule.
Naturalnie, istotnym zagadnieniem w przypadku takiej symulacji jest właściwe uchwycenie dynamiki ruchu płynu oraz jego powierzchni swobodnej, co gwarantuje nam XFlow przy zastosowaniu podejścia „Praticle-based tracking”. Silnik ten pozwala również na wykorzystanie mocy obliczeniowej GPU korzystając z architektury NVIDIA CUDA, dzięki czemu symulacje, nawet na gęstej sieci numerycznej przebiegają szybko również na mobilnej stacji roboczej.
Przykładowa analiza sloshingu będzie zakładała zadany przebieg przyspieszenia w osi zbiornika: przez 10s od początku symulacji wynosić będzie -1 m/s2 – co odpowiada fazie hamowania pojazdu, a następnie pojazd „zatrzyma się” – czyli na płyn będzie działała jedynie grawitacja co pozwoli zaobserwować proces wygaszania się falowania, a zatem również oscylacji sił.
Zostaną porównane trzy warianty geometryczne zbiornika:
- Bez przegród (pojemność całkowita ok. 59 m3)
- Z trzema przegrodami
- Z pięcioma przegrodami
Poniżej znajdują się schematy zbiornika z zaznaczonymi najważniejszymi wymiarami.
Zasymulowane zbiorniki był napełniony wodą do wysokości 145 cm, co odpowiada ok. 33m3 objętości. Zastosowana została siatka numeryczna ok. 450 000 punktów obliczeniowych, co przy 20 sekundach czasu symulowanego i zrzutach danych generowanych z częstotliwością 25 Hz, skutkowało czasem obliczeniowym rzędu 400 s na karcie NVIDIA Quadro RTX 5000. Wygenerowane dane zajęły ponad 18 GB przestrzeni dyskowej.
Analiza wyników
Wyniki pokazują wysoką skuteczność przegród w ograniczeniu wysokich chwilowych sił działających na układ hamulcowy pojazdu oraz w wyrównaniu ogólnego poziomu sił tłumiąc oscylacje wynikające z falowania cieczy. Większa ilość przegród zapewnia lepszą ochronę przed nadmiernymi obciążeniami rozkładając je na większej powierzchni, co jest również korzystne ze strukturalnego punktu widzenia. Zakładając, że całkowita masa pojazdu z ładunkiem wynosi ok. 44 tony siła potrzebna do utrzymania opóźnienia wynoszącego 1 m/s2 wynosi 44 kN, w przypadku gdy ładunek (ok. 33 tony) nie przemieszcza się.
Z przebiegu wynikowych sił wychodzi, że w zbiorniku bez przegród chwilowa siła wywoływana przez sam przelewający się płyn wynosi nawet 80 kN! Do tego dochodzi jej duża zmienność zarówno w czasie hamowania jak i po zatrzymaniu pojazdu co utrudnia płynne zatrzymanie i właściwe dozowanie siły w hamulcach. Zastosowanie przegród pozwala zredukować znacząco ten efekt, zmniejszając siłę do ok. 40~45 kN co jest wynikiem niewiele większym niż, w przypadku ładunku stałego (wtedy byłoby 33 kN). Przegrody niwelują również drastycznie fluktuacje sił pozwalając dużo lepiej zapanować nad spowolnieniem pojazdu.
Zachęcam przy okazji do lektury pozostałych naszych artykułów opisujących inne przykłady możliwości XFlow.
