論文-出力 - smcon.co.jp · 8 4 a y a y a y a y a x a x a x a x hxy a ax ay 8 1 9 1 10 2 11 2 4...

10
1 Earthquake Response Analysis of Liquid Sloshing in a Petroleum Storage Tank with Floating Nets TORU SUZUKI HIROSHI NODA 2 2 1 2 A large-eddy simulation (LES) method of calculating the motion of liquid in a petroleum storage tank has been developed and applied to a real-scale tank with floating nets during a real earthquake. The complex motion of the liquid surface with higher-order oscillations has been reproduced satisfactorily with the damping effects correctly reflected. The presently developed numerical simulation method can be a useful tool in the design of the sloshing-control mechanisms for real-scale storage tanks. Key Words: Sloshing, Damper, Oil Storage Tank, Real Earthquake, CFDLES1964 1),2) ��1 ��3),4),5) 2 2 109

Upload: ledieu

Post on 10-Jun-2019

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

�������������������������

1

�������������������������

Earthquake Response Analysis of Liquid Sloshing in a Petroleum Storage Tank with Floating Nets � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���� � � � � ��� �� TORU SUZUKI

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������������ �� HIROSHI NODA

��������������������������������������������� 2 ��

������������������������������2 ������������������

������������������������������������ 1 ������������

������������������2 ������������������������������

������������������������

���������������������������������

A large-eddy simulation (LES) method of calculating the motion of liquid in a petroleum storage tank has

been developed and applied to a real-scale tank with floating nets during a real earthquake. The complex

motion of the liquid surface with higher-order oscillations has been reproduced satisfactorily with the

damping effects correctly reflected. The presently developed numerical simulation method can be a useful

tool in the design of the sloshing-control mechanisms for real-scale storage tanks.

Key Words: Sloshing, Damper, Oil Storage Tank, Real Earthquake, CFD�LES�

������

������������������������

�������������������������

���� 1964 �������������������

�������������������������

����������1),2)�

������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

1 ������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

���������3),4),5)�

���������������������� 2 �

�������������������������

������������������� 2 �����

�������������������������

�������������������������

�������������������������

����

�������������

������������� ������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

������������������������

109

����������������� � 8�

2

����������������������

��

���������

������������������������� �

�������������� 80m ���������

������������������������

������� 22.05m�������� 6mm ����

���

���������������

���������������Tsn���(1)��

���������� 6)�

��

��

� �

DH

cothg

DT ln

nsn

�2 � � (1)

����D�������g�������Hl����

���n����1 � 3.68�2 � 10.66�����

�(1)��������������������� 1

��10.88 ��2 ��5.58 �����

�������������Sv�������� 1 �

������������max���(2)��������

��6)�Sv=2m/s ������������������

� 4m ����������

)(04.42837.02max mS

TgD

vs

������

��

� �

��

� (2)

�����������������������7)

���(3)������umax=2.630m/s ����

gaku �max � � � � � � � (3)

���������������(4)����� 8)�

� �3/1216 �

����� edD RC �� ,�� �

duRed (4)

����������Red������������

������u����� (3)�����d�����

�������������

�������������������=0.299��

����d��2.3mm����������������

������������ 7.16�10-6 m2/s ����

������������������������

���CD�� 3.328 ����������������

���������� 2.0m ����

���� ��������

���� �������������������

�� �� �� ��

���� V 113,000 kl

����� D 82,000 mm

����� Ht 24,500 mm

������ Hl 22,050 mm

���� ��������

110

����������������� � 8�

2

����������������������

��

���������

������������������������� �

�������������� 80m ���������

������������������������

������� 22.05m�������� 6mm ����

���

���������������

���������������Tsn���(1)��

���������� 6)�

��

��

��

� �

DHcoth

gDT ln

nsn

�2 � � (1)

����D�������g�������Hl����

���n����1 � 3.68�2 � 10.66�����

�(1)��������������������� 1��10.88 ��2 ��5.58 �����

�������������Sv�������� 1 �

������������max���(2)��������

��6)�Sv=2m/s ������������������

� 4m ����������

)(04.42837.0

2max mSTg

Dv

s

������

��

� ���

��

� (2)

�����������������������7)

���(3)������umax=2.630m/s ����

gaku �max � � � � � � � (3)

���������������(4)����� 8)�

� �3/1216 �

����� edD RC �� ,�� �

duRed (4)

����������Red������������

������u����� (3)�����d�����

�������������

�������������������=0.299��

����d��2.3mm����������������

������������ 7.16�10-6 m2/s ����

������������������������

���CD�� 3.328 ����������������

���������� 2.0m ����

���� ��������

���� �������������������

�� �� �� ��

���� V 113,000 kl

����� D 82,000 mm

����� Ht 24,500 mm

������ Hl 22,050 mm

���� ��������

�������������������������

3

������

������������

������������������������

��������� HSMAC ������������

�������� 9)������������ �����

��������������� Adams-Bashforth ��

�������������������������

�������������������������

������������ Smagorinsky ����Cs=0.1�

���������� Van Driest ����������

������������������ 2 ������

�������� 3 ���������UTOPIA���

��������������������� ����

�������������

������������������������

�������������������������

����x� y��������u�v���x� y��

��������� h ������� ��������

������������������������

��

twtzyvtz

xuh ����

���

�� � � � (5)

����������u,v,w ����� x,y,z ������

�z �������������t ����������

�����������������������(5)

���h ���������������������

�������������������������

�������������������������

�������

��������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

�������

jjiDi uuuLACF ���

��� 32

� � (6)

����Fi� i ������CD������A��

�����L3������������������

��ui(uj)������x ��:i(j)=1�y ��:i(j)=2�z

��: i(j) =3�����

�������������

������������������������

�������������������������

��������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

����������������� 1 ����� 2 �

��������������������(7)����

� 2 ����������������������

���� ��������

���� �����

����

�����

��������

�����

����(m)

�����

����

�������

�����

� t=2.0×10-3

CD=3.328�������2.0m

HKD129�������K-net����

H16���������������

����3���(UTOPIA)����2���

Adams-Bashforth�

HAMAC�

��Smagorinsky Model(Cs=0.10)

x×y×z=82×82×30

Nx×Ny×Nz=63×63×63

���� ��������� Flux ���

x�

y�

z�

h�

tzyu ���

tyxw ���

tzxv ���

tzyxxuu ���� �

p=0

tzxyyv

v ������

��

111

����������������� � 8�

4

� �

� � � � � � � �

� � � � � � � �yayayayaxaxaxaxa

yaxaayxh

2112101918

27261514

321

cossincossincossincossin

,

����

����

����

����

����

����

���� (7)

����h’�����������a1�a11����

���1��2����������� 1 �����2 �

����������

������������������������

�������������������������

������������ ACM ����� FEM ��

�������

�����������������

�������2003 � 9 � 26 �����������

� 2 ��������������HKD129�K-net �

������H16�������������������

���������������,���� �������

h=0.1%�������������� ����

�������������� ������� 2 ���

�������������HKD129 ��������

���� ����������HKD129�

0 50 100 150 200 250 300-1000

0

1000�

��

(mm

/s2 ) Amax=729mm/s2

0 50 100 150 200 250 300-40

0

40

��

(mm

/s) Vmax=303mm/s

0 50 100 150 200 250 300-30

0

30

�� (s)

��

(mm

) Dmax=283mm

0 50 100 150 200 250 300-1000

0

1000

��

�(m

m/s

2 ) Amax=867mm/s2

0 50 100 150 200 250 300-400

0

400

��

(mm

/s) Vmax=242mm/s

0 50 100 150 200 250 300-300

0

300

�� (s)

��

(mm

) Dmax=193mm

0 100 200 300 400 500-2000

0

2000

��

�(m

m/s

2 ) Amax=1620mm/s2

0 100 200 300 400 500-400

0

400

��

(mm

/s) Vmax=324mm/s

0 100 200 300 400 500-300

0

300

�� (s)

��

(mm

) Dmax=209mm

0 100 200 300 400 500-2000

0

2000

��

�(m

m/s

2 ) Amax=1343mm/s2

0 100 200 300 400 500-400

0

400�

�(m

m/s

) Vmax=418mm/s

0 100 200 300 400 500-300

0

300

�� (s)

��

(mm

) Dmax=207mm

���� ����������H16�

���� HKD129(EW)

���� HKD129(NS)

���� H16(EW)

���� H16(NS)

5 10 15 200

1

2

3

4

��(sec)

���������

(m/s)

h=0.1�

�HKD129 EW�HKD129 NS�H16 EW�H16 NS

Ts2=5 .5 8 sec Ts1=1 0 .8 8 sec

���� ���������������

���� �������

HKD129 H16

����� � �

������ � �

���������� � �

�����

112

�������������������������

5

����������������������� 5 �

����������� EW�NS ���������

����

������

������������������

HKD129 ������������������� ��

�����H16 ������������������

���������� ����������������

������������ ��������� FFT ����

������

��� ����������������������

������������������� 3) �����

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

EW��

������

1.545m(71.24s)

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

NS��

������

1.061m(136.92s)

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

EW��

������

-1.173m(52.80s)

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

NS��

������

-1.127m(142.46s)

0 100 200 300-1

-0.5

0

0.5

1

T ime (s)

Hig

ht (

m)

EW��

������

-0.862m(61.78s)

0 100 200 300-1

-0.5

0

0.5

1

T ime (s)

Hig

ht (

m)

NS��

������

-0.841m(50.60s)

���� ��������������(HKD129)

���� ������

���� ������

���� ��������������������(H16)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

113

����������������� � 8�

6

�������������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

��������

������������������FFT�������

������� 2�4����������������

���������������� HKD129 �����

�� 2 �������������������� ���

������������������������2

�������������������������

�� 2 ����������������������

������

������� 1)����������������

������������ 0.4%�2 ������ 0.5�

0.8%�3 ������ 1%��������������

����� 1 �������������������

������������� 0.5%����������

���������� 2 ��������������

�������������5�10%���������

������

���������������� 2 �������

��������������h=0.1%������(8)�

���� �������

EW NS EW NS

������ 1.545 1.061 � �

������ -1.173 -1.127 -0.862 -0.841

1.795 1.191 0.895 1.289

HKD129 H16

�(6.5),(6.6)������ (m)

�������� (m)

�(8), �(9)������(m)

����� �������HKD129 Time=84 ��

���� X-Y ������ ���� X-Z �� ���� Y-Z ��

����� ��������HKD129�

t=106s t=108s t=110s t=112s

t=114s t=116s t=118s t=120s

114

�������������������������

7

�(9)��������� 10)���(2)��(8)� 1 ����

�����������

vsn

n STg

D�

��

��

� �

21

22 2max

)(� (8)

� �

� �� �

� �2

max22

max1

max ��� ��� � � � (9)

�����(n)max�n ���������,�n����1

� 1.841�2 � 5.331�����

��� �������������(8)��(9)����

�������������������������

����� ������� ��������������

�������������������������

������ 2 ������������������

���������������

�������HKD129 ������� Time=84 ����

���������� EW ���NS ������� 0

��������������������������

�������� ������������������

�������������������������

���������������������

����������� Time=108 ��������

�������� ������������������

���������2 ���������������

������������������� 1 �����

�������������������������

�������������������������

��� 2 ���������������������

���������������

������������������������

������� FFT ������������ ������

�������������������������

�������������������������

��������������� 24%�������

HKD129 ��������������������

����������� Time=52�78�142 �����

��������� �����������������

������������������������

�����HKD129 ��������EW ���NS �

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

EW��

�������

-1.082m(56.62s)

0 100 200 300-2

-1

0

1

2

T ime (s)

Hig

ht (

m)

NS��

�������

-0.859m(76.00s)

0 100 200 300-1

-0.5

0

0.5

1

T ime (s)

Hig

ht (

m)

EW��

�������

-0.876m(61.96s)

0 100 200 300-1

-0.5

0

0.5

1

T ime (s)

Hig

ht (

m)

NS��

�������

0.799m(69.26s)

����� �������������HKD129�

����� �������������H16�

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)

Frequency (Hz)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

20

40

60

80

Four

ier a

mp.

(m/s

)Frequency (Hz)

115

����������������� � 8�

8

��������������� 0 ��� Time=90 ��

��������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

�����������

�����������

�����������������1 ������

������� RD ��������������

����� FFT ����� 1 ����������

�fc�0.095Hz���������� band �����0.04Hz

� cosine ����������� 50 ���������

��������������������80 ����

�������������������������

���������������(10)��������

�������������

� � thatD th������

021cosexp 0

� � (10)

� ����a�������0�������� h���

������

RD ����������������������

�������������������������

�������������������������

��RD ���������������������

�������������������������

�������������������������

�������������������������

���������� RD �������������

�������������������������

������������ RD ����������

� 1 ������������������������

��HKD129 ��������������������

����

����� �����HKD129�

���� �������

���� �������

T=52s T=78s T=142s

T=52s T=78s T=142s

���� X-Y ������ ���� X-Z �� ���� Y-Z ��

����� �������HKD129� ������ Time=90 ��

116

�������������������������

9

������������������������

�������������������������

�������������������������

���������������RD ��������

� band ��������������������

�EW ���������� NS ����������

�������������������������

���

������������������������

������������������� 0.31%�0.72%

�������������������������

����������

�����

������������������������

�������������������������

���������������������80m ��

������������� 2 �����������

�������������������������

���������������

������������������������

��

� �� ��������������� 2 ������� � � �

�����������������������

��������������������

� �� ����������������������

�� 1 �����������������

� �� ����������������������

�����������������������

�����������������������

����������������

� �� ����������������������

�����������������������

��������������

�� ����������������������

�����������������������

�������������2 ���������

�����������������������

�����������������������

�����������������������

����

� �� �������� RD ������������

�����������������������

����������������������

0.31%�0.72%�����

���� RD �������� (%)

EW�� NS�� EW�� NS��

����� 0.30 0.66 � �

������ 0.38 0.34 0.73 0.06

����+����� 0.89 1.06 1.32 0.37

����������������

0.51 0.72 0.59 0.31

�����HKD129 H16

����� RD ������������

���� �����

���� ������

���� �������

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1�=0.66%

���

���

Time (s)

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1

(b) NS

(a) EW�=0.30%

������

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1�=0.34%

���

���

Time (s)

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1

(b) NS

(a) EW�=0.38%

������

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1�=1.06%

���

���

Time (s)

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1

(b) NS

(a) EW�=0.89%

������

117

����������������� � 8�

10

������������������������

�������������������������

��������������������������

�������������������������

�������������������������

���������

�����

1������������������������

���������2004.9

2�����������������������2003

�����������������������

���������������� 57 ��� 2 ��

2004.12

3������������������������

�����������������������

������������ � 26 ��pp.469-474�

2007.12

4�������������������CFD ���

�����������������������

���������������������� � 5

��pp.185-191�2007.9

5������������������������

�����������������������

��� Vol.12�pp.563-570������2009.8

6���������������������1996.12

7����������������1992

8��������������� A5 ��������

p.86�1986

9���������������:�� HSMAC ���

�������LES, ������, Vol.49,pp.661-666�

2005

10������������������������

2,3 ���������18�pp.16-23�1980

118