スロッシングは自由表面を有する界面の振動現象です。スロッシングは減衰しにくいため、一度スロッシングが起きると長時間にわたって振動し続けます。さらに固有振動数に近い振動数で加振されると共振が発生します。ロケットの燃料タンク、タンクローリーやLNGタンカーの燃料の運搬、石油貯蔵タンクや貯水槽の地震時の溢水等、安全性の面から見ても様々な分野でスロッシング対策が必要となります。

円柱や矩形などのシンプルな形状では、固有振動数の理論式が定式化されていますが、形状が複雑になるほど理論式から共振を判断する事は難しくなります。流体解析ソフトを利用すると、さまざまな条件下でのスロッシング状況を確認する事ができます。

オープンソースコードOpenFOAMのVOF法のソルバーであるinterFoamを利用して、スロッシング解析を実施しました。精度検証としておこなった矩形水槽における共振の確認計算と、解析事例として貯水槽の溢水解析について説明します。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図5　メッシュ図

 

図7　貯水槽のスロッシング

 

流体解析ソフトでスロッシングの計算を行う際は、実際に剛体運動で水槽を振動させる方法と、重力方向を地震波に応じて時間変化させる方法等があります。本解析事例では、水槽を剛体運動で振動させて計算しました。

OpenFOAM で、剛体運動させる際は、constantフォルダ下にdynamicMeshDictファイルを作成します。
（※　ファイル名はバージョンによって異なります。ここでは、バージョン6で説明します。）
6自由度の剛体運動は、solidBodyMotionFunctionをtabulated6DoFMotionに指定し、各時刻の並進3成分と回転3成分のデータを、テーブル形式で定義します。

 

dynamicMeshDictファイルの設定例を以下に示します。
---------- dynamicMeshDictファイル---------
dynamicFvMesh dynamicMotionSolverFvMesh;
motionSolver solidBody;
solidBodyMotionFunction tabulated6DoFMotion;
CofG (0 0 0);
timeDataFileName "$FOAM_CASE/constant/6DoF.dat";
-------------------------------

ここで、CofGは剛体運動させる際の重心位置を示します。

 

この事例では、各時刻の並進3成分と回転3成分のデータを6DoF.datファイルとして定義しています。XとY方向の並進運動のみ指定しているため、それ以外の成分は0となります。
---------- 6DoF.datファイル---------
101
(
( 0 (( 0 0 0)(0 0 0)))
( 0.1 (( 0.006266662 1 0)(0 0 0)))
( 0.2 (( 0.012434494 2 0)(0 0 0)))
：
：
-------------------------------
ここで、先頭の101はデータの個数を示します。
()内の初めの数値が時刻を、次の()内が並進3成分を、その次の()内が回転の3成分を示します。

 

参考チュートリアル：
/opt/OpenFOAM/OpenFOAM-6/tutorials/multiphase/interFoam/laminar/sloshingTank3D6DoF/