%A Elkin Botia Vera
%T Experimental and statistical investigation of canonical problems in sloshing
%X En hidrodin?mica, el fen?meno de Sloshing se puede definir como el movimiento de la superficie libre de un fluido dentro de un contenedor sometido a fuerzas y perturbaciones externas. El fluido en cuesti?n experimenta violentos movimientos con importantes deformaciones de su superficie libre. La din?mica del fluido puede llegar a generar cargas hidrodin?micas considerables las cuales pueden afectar la integridad estructural y/o comprometer la estabilidad del veh?culo que transporta dicho contenedor. El fen?meno de Sloshing ha sido extensivamente investigado matem?tica, num?rica y experimentalmente, siendo el enfoque experimental el m?s usado debido a la complejidad del problema, para el cual los modelos matem?ticos y de simulaci?n son aun incapaces de predecir con suficiente rapidez y precisi?n las cargas debidas a dicho fen?meno. El flujo generado por el Sloshing usualmente se caracteriza por la presencia de un fluido multifase (gas-liquido) y turbulencia. Reducir al m?ximo posible la complejidad del fen?meno de Sloshing sin perder la esencia del problema es el principal reto de esta tesis doctoral, donde un trabajo experimental enfocado en casos can?nicos de Sloshing es presentado y documentado con el objetivo de aumentar la comprensi?n de dicho fen?meno y por tanto intentar proveer informaci?n valiosa para validaciones de c?digos num?ricos. El fen?meno de Sloshing juega un papel importante en la industria del transporte mar?timo de gas licuado (LNG). El mercado de LNG en los ?ltimos a?os ha reportado un crecimiento hasta tres veces mayor al de los mercados de petr?leo y gas convencionales. Ingenieros en laboratorios de investigaci?n e ingenieros adscritos a la industria del LNG trabajan continuamente buscando soluciones econ?micas y seguras para contener, transferir y transportar grandes vol?menes de LNG. Los buques transportadores de LNG (LNGC) han pasado de ser unos pocos buques con capacidad de 75000 m3 hace unos treinta a?os, a una amplia flota con una capacidad de 140000 m3 actualmente. En creciente n?mero, hoy d?a se construyen buques con capacidades que oscilan entre 175000 m3 y 250000 m3. Recientemente un nuevo concepto de buque LNG ha salido al mercado y se le conoce como FLNG. Un FLNG es un buque de gran valor a?adido que solventa los problemas de extracci?n, licuefacci?n y almacenamiento del LNG, ya que cuenta con equipos de extracci?n y licuefacci?n a bordo, eliminando por tanto las tareas de transvase de las estaciones de licuefacci?n en tierra hacia los buques LNGC. EL LNG por tanto puede ser transferido directamente desde el FLNG hacia los buques LNGC en mar abierto. Niveles de llenado intermedios en combinaci?n con oleaje durante las operaciones de trasvase inducen movimientos en los buques que generan por tanto el fen?meno de Sloshing dentro de los tanques de los FLNG y los LNGC. El trabajo de esta tesis doctoral lidia con algunos de los problemas del Sloshing desde un punto de vista experimental y estad?stico, para ello una serie de tareas, descritas a continuaci?n, se han llevado a cabo : 1. Un dispositivo experimental de Sloshing ha sido configurado. Dicho dispositivo ha permitido ensayar secciones rectangulares de tanques LNGC a escala con movimientos angulares de un grado de libertad. El dispositivo experimental ha sido instrumentado para realizar mediciones de movimiento, presiones, vibraciones y temperatura, as? como la grabaci?n de im?genes y videos. 2. Los impactos de olas generadas dentro de una secci?n rectangular de un LNGC sujeto a movimientos regulares forzados han sido estudiados mediante la caracterizaci?n del fen?meno desde un punto de vista estad?stico enfocado en la repetitividad y la ergodicidad del problema. 3. El estudio de los impactos provocados por movimientos regulares ha sido extendido a un escenario m?s real?stico mediante el uso de movimientos irregulares forzados. 4. El acoplamiento del Sloshing generado por el fluido en movimiento dentro del tanque LNGC y la disipaci?n de la energ?a mec?nica de un sistema no forzado de un grado de libertad (movimiento angular) sujeto a una excitaci?n externa ha sido investigado. 5. En la ?ltima secci?n de esta tesis doctoral, la interacci?n entre el Sloshing generado dentro en una secci?n rectangular de un tanque LNGC sujeto a una excitaci?n regular y un cuerpo el?stico solidario al tanque ha sido estudiado. Dicho estudio corresponde a un problema de interacci?n fluido-estructura.  Abstract In hydrodynamics, we refer to sloshing as the motion of liquids in containers subjected to external forces with large free-surface deformations. The liquid motion dynamics can generate loads which may affect the structural integrity of the container and the stability of the vehicle that carries such container. The prediction of these dynamic loads is a major challenge for engineers around the world working on the design of both the container and the vehicle. The sloshing phenomenon has been extensively investigated mathematically, numerically and experimentally. The latter has been the most fruitful so far, due to the complexity of the problem, for which the numerical and mathematical models are still incapable of accurately predicting the sloshing loads. The sloshing flows are usually characterised by the presence of multiphase interaction and turbulence. Reducing as much as possible the complexity of the sloshing problem without losing its essence is the main challenge of this phd thesis, where experimental work on selected canonical cases are presented and documented in order to better understand the phenomenon and to serve, in some cases, as an useful information for numerical validations. Liquid sloshing plays a key roll in the liquified natural gas (LNG) maritime transportation. The LNG market growth is more than three times the rated growth of the oil and traditional gas markets. Engineers working in research laboratories and companies are continuously looking for efficient and safe ways for containing, transferring and transporting the liquified gas. LNG carrying vessels (LNGC) have evolved from a few 75000 m3 vessels thirty years ago to a huge fleet of ships with a capacity of 140000 m3 nowadays and increasing number of 175000 m3 and 250000 m3 units. The concept of FLNG (Floating Liquified Natural Gas) has appeared recently. A FLNG unit is a high value-added vessel which can solve the problems of production, treatment, liquefaction and storage of the LNG because the vessel is equipped with a extraction and liquefaction facility. The LNG is transferred from the FLNG to the LNGC in open sea. The combination of partial fillings and wave induced motions may generate sloshing flows inside both the LNGC and the FLNG tanks. This work has dealt with sloshing problems from a experimental and statistical point of view. A series of tasks have been carried out: 1. A sloshing rig has been set up. It allows for testing tanks with one degree of freedom angular motion. The rig has been instrumented to measure motions, pressure and conduct video and image recording. 2. Regular motion impacts inside a rectangular section LNGC tank model have been studied, with forced motion tests, in order to characterise the phenomenon from a statistical point of view by assessing the repeatability and practical ergodicity of the problem. 3. The regular motion analysis has been extended to an irregular motion framework in order to reproduce more realistic scenarios. 4. The coupled motion of a single degree of freedom angular motion system excited by an external moment and affected by the fluid moment and the mechanical energy dissipation induced by sloshing inside the tank has been investigated. 5. The last task of the thesis has been to conduct an experimental investigation focused on the strong interaction between a sloshing flow in a rectangular section of a LNGC tank subjected to regular excitation and an elastic body clamped to the tank. It is thus a fluid structure interaction problem.
%D 2015
%I Navales
%L upm37806