Experimental Study on Sloshing in Rectangular Tank with Vertical Porous Baffle

Abstract

A variety of inner baffles are often installed to reduce liquid sloshing and prevent tank damage. In particular, a porous baffle has a distinct advantage in reducing sloshing by changing the natural periods and dissipating the wave energy in a tank. In model tests, porous baffles with five different porosities were installed vertically in a liquid tank under sway motion. The free surface elevations and pressures were measured using an image processing technique and a pressure gage for various combinations of baffle's porosity and submergence depth, and tank's amplitude and period. The experimental results were in good agreement with the analytic solutions (Cho, 2015), with the exception of a quantitative difference at resonant periods. The experimental results showed that the sloshing characteristics in a tank were closely dependent on both the porosity and submergence depth of the baffle, and the optimal porosity existed near P = 0.1275. 1. 서 론 바람이나 파도와 같은 외력에 의해 항해중인 선박이 운동을 하면 선체 내 액체 탱크 내에 채워진 유체도 그에 따라 운동을 한다. 이러한 현상을 슬로싱(Sloshing)이라 한다. 특히, 슬로싱 현상은 평상시에는 큰 문제가 되지 않지만 외력의 주파수와 탱 크내 유체의 고유주파수가 일치하는 공진조건을 만족하게 되면 탱크 내의 유체의 유동이 급격히 커져 탱크 내부 벽면에 큰 충 격력이 작용한다. 그 결과 탱크 벽면에 구조적인 변형이 일어나 거나 장시간 영향을 받게 되는 경우에는 누적에 의한 피로파괴 등 심각한 문제점이 유발될 뿐만 아니라 선박의 안전한 항해에 악영향을 주게 된다. 탱크 내 슬로싱 현상에 관한 대표적인 연 구들로는 Faltinsen(1978), Bridges(1982), Mikelis et al.(1984), Wu et al.(1998), Kim(2001) 등이 있다. 다양한 주파수를 갖는 해양파의 특성을 고려할 때 공진을 회 피하는 것은 쉽지 않으므로 공진발생시 탱크내 슬로싱을 줄이 는 다양한 장치들에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 탱크 내부에 불투과성 격벽을 설치하여 탱크내 유체의 고유주기를 변경하여 공진을 회피하는 방법이나 투과성 내부재(그물형, 슬 릿형, 타공형)를 설치하여 유체가 구멍을 통과하면서 발생하는 강한 와류 발생으로 에너지 손실을 일으켜 슬로싱을 줄이는 방 법 등이 있다. 또한 탱크 내 수면 위에 작은 부유 입자들을 분 포시켜 탱크내에서 발생한 쇄파가 탱크벽과 충돌시 충격을 완 화시키는 방법 등이 있다. 투과성 내부재가 포함된 탱크내 슬로싱 문제에 대한 해석해 의 정확성은 투과성 내부재에 적용하는 에너지 손실 모델에 따 라 달라진다. 많은 연구자들에 의해 투과성 판에서의 선형 또는 비선형 에너지 손실 모델을 제안하였고 모형실험 결과와 비교 를 통해서 해석 방법을 검증하였다(Evans and Mciver, 1987; Crowley and Porter, 2012; Faltinsen et al., 2011; Faltinsen and Timokha, 2011; Cho, 2015). 최근에는 탱크내 비선형 자유표면 특성을 고려한 수치해석 방법이 등장하면서 탱크의 대진폭 운 동 시 발생하는 비선형 유동을 다루는 연구가 주목을 받고 있 다(Cho et al., 2005; Akyildiz, 2012; Xue et al., 2012; Wu et al., 291