Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods

This thesis focuses on the simulation of liquid sloshing problems in flexible tanks using the ABAQUS/EXPLICIT software, utilizing the smoothed particle hydrodynamics (SPH) and finite element methods (FEM) to model the fluid and solid parts respectively. The simulations involve complex and violent...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Νταβαρίνος, Αριστείδης
Άλλοι συγγραφείς: Ntavarinos, Aristeidis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25239
id nemertes-10889-25239
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Smoothed particle hydrodynamics
Finite element method
Fluid-structure interaction
Numerical methods
Sloshing
Μέθοδος υδροδυναμικής εξομαλυθέντων σωματιδίων
Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων
Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού
Αριθμητικές μέθοδοι
Φαινόμενο Sloshing
spellingShingle Smoothed particle hydrodynamics
Finite element method
Fluid-structure interaction
Numerical methods
Sloshing
Μέθοδος υδροδυναμικής εξομαλυθέντων σωματιδίων
Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων
Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού
Αριθμητικές μέθοδοι
Φαινόμενο Sloshing
Νταβαρίνος, Αριστείδης
Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
description This thesis focuses on the simulation of liquid sloshing problems in flexible tanks using the ABAQUS/EXPLICIT software, utilizing the smoothed particle hydrodynamics (SPH) and finite element methods (FEM) to model the fluid and solid parts respectively. The simulations involve complex and violent free surface flows with both rigid and deformable structures. The paper begins by presenting theoretical chapters on the importance of sloshing studies and modeling, as well as separate chapters for presenting the SPH and FEM methods for simulating fluids and solids, respectively. SPH-FEM coupling formulation methods are also presented before the various simulation results to test different phenomena. Rigid tank simulations are performed initially to validate the SPH model's ability to simulate free surface flows accurately and its ability to demonstrate the free surface return to its original position due to viscosity damping inside the liquid. The simulations are then extended to investigate the sloshing of the tank in sinusoidal excitation at different frequencies to detect the occurrence of resonance and changes in contact forces and pressures in the tank walls due to different frequencies. Impact simulations are also presented to evaluate the effect of the impact velocity of the fluid on the contact pressure on the tank’s walls. Finally, complete fluid-structure interaction (FSI) problem simulations are performed using deformable shell elements for the tank walls, and the effect of the shell’s thickness on the tank stress and deformation outputs will be studied to investigate the occurrence of resonance phenomena due to the change of the system's natural frequency. Overall, this paper aims to provide insights into sloshing behavior in flexible tanks and improve the accuracy of sloshing simulations by coupling SPH and FEM methods.
author2 Ntavarinos, Aristeidis
author_facet Ntavarinos, Aristeidis
Νταβαρίνος, Αριστείδης
author Νταβαρίνος, Αριστείδης
author_sort Νταβαρίνος, Αριστείδης
title Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
title_short Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
title_full Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
title_fullStr Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
title_full_unstemmed Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
title_sort simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25239
work_keys_str_mv AT ntabarinosaristeidēs simulationofliquidsloshinginflexibletanksusingthesmoothedparticlehydrodynamicsandfiniteelementmethods
AT ntabarinosaristeidēs prosomoiōsētouphainomenousloshingygrouseeukamptesdexamenesmechrēsētōnmethodōnydrodynamikēsexomalythentōnsōmatidiōnkaipeperasmenōnstoicheiōn
_version_ 1799945013807808512
spelling nemertes-10889-252392024-03-08T19:28:41Z Simulation of liquid sloshing in flexible tanks using the smoothed particle hydrodynamics and finite element methods Προσομοίωση του φαινομένου sloshing υγρού σε εύκαμπτες δεξαμενες με χρήση των μέθοδων υδροδυναμικής εξομαλυθέντων σωματιδιων και πεπερασμένων στοιχείων Νταβαρίνος, Αριστείδης Ntavarinos, Aristeidis Smoothed particle hydrodynamics Finite element method Fluid-structure interaction Numerical methods Sloshing Μέθοδος υδροδυναμικής εξομαλυθέντων σωματιδίων Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού Αριθμητικές μέθοδοι Φαινόμενο Sloshing This thesis focuses on the simulation of liquid sloshing problems in flexible tanks using the ABAQUS/EXPLICIT software, utilizing the smoothed particle hydrodynamics (SPH) and finite element methods (FEM) to model the fluid and solid parts respectively. The simulations involve complex and violent free surface flows with both rigid and deformable structures. The paper begins by presenting theoretical chapters on the importance of sloshing studies and modeling, as well as separate chapters for presenting the SPH and FEM methods for simulating fluids and solids, respectively. SPH-FEM coupling formulation methods are also presented before the various simulation results to test different phenomena. Rigid tank simulations are performed initially to validate the SPH model's ability to simulate free surface flows accurately and its ability to demonstrate the free surface return to its original position due to viscosity damping inside the liquid. The simulations are then extended to investigate the sloshing of the tank in sinusoidal excitation at different frequencies to detect the occurrence of resonance and changes in contact forces and pressures in the tank walls due to different frequencies. Impact simulations are also presented to evaluate the effect of the impact velocity of the fluid on the contact pressure on the tank’s walls. Finally, complete fluid-structure interaction (FSI) problem simulations are performed using deformable shell elements for the tank walls, and the effect of the shell’s thickness on the tank stress and deformation outputs will be studied to investigate the occurrence of resonance phenomena due to the change of the system's natural frequency. Overall, this paper aims to provide insights into sloshing behavior in flexible tanks and improve the accuracy of sloshing simulations by coupling SPH and FEM methods. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η προσομοίωση προβλημάτων αλληλεπίδρασης ρευστού-στερεού (FSI) του φαινομένου sloshing ρευστού σε εύκαμπτες δεξαμενές χρησιμοποιώντας το λογισμικό ABAQUS/EXPLICIT, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο υδροδυναμικής εξομάλυνσης σωματιδίων (SPH) για τη προσομοίωση ρευστών και τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) για τη προσομοίωση στερεών ,αντίστοιχα. Το πρόβλημα περιλαμβάνει πολύπλοκες και βίαιες ροές ελεύθερης επιφάνειας με εύκαμπτες δομές. Η εργασία ξεκινά με την παρουσίαση θεωρητικών κεφαλαίων σχετικά με τη σημασία της έρευνας και προσομοίωσης του sloshing φαινομένου, και επίσης περιέχει ξεχωριστά κεφάλαια για την παρουσίαση των μεθόδων SPH και FEM για την προσομοίωση ρευστών και στερεών, αντίστοιχα. Στη συνέχεια , παρουσιάζονται διάφορες μέθοδοι σύζευξης των μεθόδων SPH και FEM σε ξεχωριστό κεφάλαιο και ακολουθούν μετά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μας. Συγκεκριμένα, εκτελούνται αρχικά προσομοιώσεις άκαμπτης δεξαμενής για να επικυρωθεί η ικανότητα του μοντέλου SPH να προσομοιώνει με ακρίβεια τη συμπεριφορά ροών ελεύθερης επιφάνειας και την ικανότητά του να αποδεικνύει την επιστροφή της ελεύθερης επιφάνειας στην αρχική της θέση λόγω της απόσβεσης του ιξώδους μέσα στο υγρό. Στη συνέχεια, οι προσομοιώσεις επεκτείνονται για να διερευνηθεί το φαινόμενο sloshing της δεξαμενής με ημιτονοειδή διέγερση σε διαφορετικές συχνότητες ,έτσι ώστε να ανιχνευθεί η εμφάνιση συντονισμού και να παρατηρηθούν αλλαγές στις δυνάμεις επαφής και τις πιέσεις στα τοιχώματα της δεξαμενής με διεγέρσεις διαφορετικών συχνοτήτων. Παρουσιάζονται επίσης προσομοιώσεις κρούσης για την αξιολόγηση της επίδρασης της ταχύτητας κρούσης του ρευστού στην πίεση επαφής στα τοιχώματα των δεξαμενών. Τέλος, πραγματοποιούνται πλήρεις προσομοιώσεις αλληλεπίδρασης στερεού και ρευστού (FSI) με τη χρήση παραμορφώσιμων στοιχείων κελύφους για τα τοιχώματα της δεξαμενής όπου μελετάται η επίδραση του πάχους του κελύφους στην τάση της και στη παραμόρφωση της δεξαμενής και ερευνάται η δυνατότητα του ABAQUS/Explicit να προσομοιώνει φαινόμενα αλληλεπίδρασης ρευστού-δομής (FSI) με τις μεθόδους SPH και FEM. Συνολικά, αυτή η εργασία στοχεύει να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά sloshing σε άκαμπτες και εύκαμπτες δεξαμενές καθώς και να βελτιώσει την ακρίβεια των προσομοιώσεων sloshing με τη σύζευξη των μεθόδων SPH και FEM. 2023-06-29T05:40:54Z 2023-06-29T05:40:54Z 2023-07 https://hdl.handle.net/10889/25239 en Attribution 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/ application/pdf