Analisi di sloshing per serbatoi di motori a propellente liquido con membrane di contenimento

Lo sloshing è un fenomeno che attira l’attenzione di scienziati e ricercatori fin dagli anni 50, ed è definito come l’agitazione di un fluido nel suo recipiente, causato da un’eccitazione sismica del recipiente stesso. La dinamica di sloshing interessa veicoli e velivoli che stivano a bordo masse di liquido o propellente dell’ordine di grandezza del sistema stesso, portando ad instabilità durante le fasi di manovra.

E’ il caso del quarto stadio di Vega denominato AVUM, dove il propellente liquido è circa il 45% della sua massa totale.

Il singolo serbatoio possiede al suo interno una speciale membrana (anche chiamata bladder) che avvolge il propellente e lo mantiene separato dal gas pressurizzante. Si ha quindi la necessità di modellare le parti fluide e gassose all’interno del componente.

La scelta di un solutore esplicito non lineare (SOL 700 Nastran) è d’obbligo in presenza di serbatoi con componenti strutturali complessi e ad alta flessibilità come i serbatoi del modulo AVUM (quarto stadio del lanciatore Vega) ma soprattutto quando si ha la necessità di descrivere l’accoppiamento tra fluido e struttura. 

Con Patran è stato possibile creare il modello agli elementi finiti del tank e relativa membrana, inoltre, grazie alla semplicità di utilizzo e all’intuitività del pre-processore, si possono definire in maniera molto efficiente le regioni occupate dai vari materiali euleriani (liquidi e gas), supportando quindi la presenza di più materiali nella stessa discretizzazione spaziale.

Lo scopo di questo studio è caratterizzare la dinamica di sloshing nel serbatoio di AVUM in presenza del bladder, per diversi livelli di riempimento e pressurizzazione.

L’effetto del gas pressurizzante sulla membrana è simulato tramite la scheda PLOAD2, applicando così un carico di pressione uniforme su tutti gli elementi del bladder. Il propellente e la sua pressione di vapore sono inseriti come materiali euleriani con le loro rispettive caratteristiche.

La definizione dei contatti è immediata tramite la scheda BCTABLE che permette di definire le coppie di contatto secondo i criteri che risultano più efficienti (es.: proprietà, numerazione di elementi…).

Per  tali problematiche, dove il serbatoio è libero di  muoversi nello spazio, si può utilizzare una mesh che segue il modello in modo da risparmiare sui tempi di calcolo.

Tale modello offre la possibilità di studiare il transitorio della pressurizzazione, oltre il mutuo accoppiamento fra dinamica oscillatoria del fluido e membrana durante le fasi di volo.

Con un semplice comando è possibile richiedere al solutore Nastran di mantenere la condizione finale della simulazione per poi usarla in una run successiva, questo ha permesso di effettuare run sequenziali (es.: pressurizzazione e successiva simulazione del volo) risparmiando ulteriore tempo prezioso.

Una volta definito il problema, le analisi rispettive a diverse configurazioni di riempimento e pressurizzazione possono essere implementate direttamente con MSC Nastran, grazie alla versatilità del codice. 

Si è riuscito quindi a descrivere l’effetto del bladder sui modi di sloshing verificandone la sua efficacia. Tale metodologia può essere applicata anche per il dimensionamento delle membrane, poiché si ha bisogno di un modello che descriva l’accoppiamento tra fluido e struttura, avendo una descrizione accurata del fenomeno, e poter trovare le zone più “stressate” del materiale dove focalizzare l’attenzione.

Autore: Andrea Trivellato