Quando si trasporta un serbatoio mezzo pieno, il liquido al suo interno si muove liberamente e urta le pareti. Nelle autobotti, nelle casse combustibile delle navi, nei serbatoi di propellente dei veicoli spaziali e nelle navi metaniere questo è un criterio di progetto strutturale e dinamico.
Comanda il livello di riempimento
Un serbatoio pieno non è soggetto a sloshing — non c'è superficie libera che possa muoversi. Nemmeno uno vuoto. Il caso peggiore sta da qualche parte in mezzo, di solito vicino alla metà.
Ne discende una regola di esercizio controintuitiva: trasportare un serbatoio pieno o vuoto è più sicuro che trasportarlo mezzo pieno.
Frequenza propria e risonanza
La superficie libera ha frequenze proprie di sloshing che dipendono dalla geometria del serbatoio e dal battente di liquido. Se la frequenza del moto del veicolo o della nave si avvicina a una di esse, l'ampiezza cresce rapidamente e la pressione sulle pareti si moltiplica.
Il rimedio classico è mettere dei frangiflutti dentro il serbatoio. Un frangiflutti interrompe il moto libero del liquido, sposta la frequenza propria e dissipa energia. La disposizione dei frangiflutti e il loro rapporto di area aperta sono direttamente una questione di analisi: troppo chiusi aggiungono peso e problemi di riempimento, troppo aperti non smorzano abbastanza.
Modellazione
Il problema è per definizione a superficie libera e transitorio. Punti da curare:
- Risoluzione dell'interfaccia e numero di Courant. Tenerlo sotto l'unità nella regione dell'interfaccia, altrimenti la superficie si sfuoca numericamente.
- La pressione d'impatto dura pochissimo. Per cogliere il picco, il passo temporale è fissato dalla durata dell'impatto, non dalla risposta della struttura.
- Il moto del serbatoio è una condizione al contorno. O si muove il serbatoio stesso o si applica un campo di accelerazione equivalente. Entrambi ricadono nella logica dei contorni mobili.
- Non trascurare la fase gassosa. In un serbatoio chiuso il cuscino d'aria intrappolata attenua nettamente la pressione d'impatto; un modello monofase sovrastima il picco.
Riferimenti
- Hirt, C. W. & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201–225. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6