تحليل اندركنش هم زمان تلاطم گذرا سيال و ديناميك واگن ريلي مخزن دار با استفاده از مدل عددي كوپل شده CFD-MBD

Simultaneous Interaction Analysis of Transient Fluid Slosh and Railway Tank Wagon Dynamics using the CFD-MBD Numerical Coupled Model

در اين مقاله مدل عددي كوپل شده CFD-MBD براي ارزيابي دقيق رفتار واگن ريلي مخزن دار حامل سيال معرفي شده است. پاسخ ارتعاشاتي واگن براساس مدل ديناميكي چندجرمي (MBD) سه بعدي شامل اجزاي بدنه، دو بوژي و چهار مجموعه چرخ و محور با 19درجه آزادي به روش رانگ كوتا مرتبه چهار به دست آمده است. مدل تلاطم گذرا سيال داخل مخزن با استفاده از روش ديناميك سيال محاسباتي (CFD) تركيب شده با تكنيك حجم سيال (VOF) به منظور حل معادلات ناوير- استوكس و رديابي سطح آزاد سيال آناليزشده است. راستي آزمايي نتايج عددي با استفاده از داده هاي آزمايشگاهي انجام شده است. سپس با توسعه فرآيند عددي كوپل كردن مدل هاي CFD و MBD، اندركنش هم زمان تلاطم گذرا سيال و ديناميك واگن در نظر گرفته شده است. با مطالعه پارامتري روي حجم پرشوندگي، شكل سطح مقطع مخزن و لزجت سيال مشخصه هاي ديناميكي واگن مخزن دار نيمه پر در شرايط ترمزگيري استخراج شده است. نتايج نشان مي دهد افزايش حجم پرشوندگي، دامنه نوسان مركز مختصات گرانش سيال را كاهش مي دهد. كمترين دامنه تلاطم سيال در حجم پرشوندگي هاي مختلف مربوط به سطح مقطع بيضي اصلاح شده است. لزجت سيال تاثير ناچيزي بر نيروي تلاطم طولي و مسافت توقف واگن مخزن دار نيمه پر دارد.

In this paper, the CFD-MBD numerical coupled model has been proposed for an accurate evaluation of the behavior of the partially filled railway tank wagon. The vibration response of the wagon has been obtained by the fourth-order Runge-Kutta method based on the threedimensional multibody dynamic (MBD) model with 19 degrees of freedom comprising car-body, two bogies, and four wheel-sets. The model of transient fluid sloshing inside the tank has been analyzed using the computational fluid dynamics (CFD) method combined with the volume of fluid (VOF) technique for solving the Navier-Stokes equations and tracing the fluid free surface, respectively. Validation of the numerical results has been carried out using experimental data. Then, the simultaneous interaction of the transient fluid slosh and the wagon dynamics has been considered through the development of the numerical process of coupling CFD and MBD models. The dynamic characteristics of a partially filled tank wagon have been derived in braking conditions using parametric study on the filled-volume, tank cross-section shape, and fluid viscosity. The results indicate that the filled-volume increase decreases the amplitude of the fluid’s center of gravity coordinate. The lowest fluid slosh in the different filled-volumes has been related to the modified-oval cross-section. The fluid viscosity has a slight effect on the longitudinal fluid slosh force and the stopping distance of the railway tank wagon.