Modeling of tank vehicle dynamics by fluid sloshing coupled simulation

The forces generated by the sloshing of bulk liquid carried in tank trucks can have a significant influence on the vehicle's driving dynamics and stability: lateral fluid sloshing during turning and sudden lane change manoeuvres is the main cause for low rollover threshold while longitudinal fluid sloshing due to braking or accelerating manoeuvres can cause yaw instability or loss of directional control. The dynamic interactions between the liquid motion and vehicle stability has not been sufficiently investigated, in fact the relevant studies reported in literature are limited either in the development of methodologies for predicting the liquid slosh in various containers or in the analysis of vehicle stability based upon simplified models of liquid cargo motion without sufficient consideration of the dynamic slosh effect, such as quasi-static fluid motion or pendulum analogy technique. In this thesis, a computational fluid dynamics slosh model is coupled with a lumped truck model. The CFD model is based on the Navier-Stokes equations incorporating the Volume Of Fluid (VOF) technique to model two immiscible fluids by solving a single set of momentum equations and tracking the volume fraction of each of the fluids throughout the domain and the Moving Mesh (MM) technique to specify the motion of the tank by providing the linear and angular velocities at every time step. A 14 degrees of freedom truck model is coupled with the CFD model to evaluate the vehicle behavior in a lane change manoeuvre in a braking maneuver. In both cases tests have been made at different velocities and different fill volumes and compared with experimental results available in literature. Moreover the tilt table test have been simulated for different fill volume in order to assess the influence of the fill volume on the Static Rollover Threshold.

Le forze generate dal movimento del liquido trasportato all'interno di un'auto- cisterna possono avere un'influenza significativa sulla stabilità e sulla dinamica di marcia del veicolo: lo sloshing in direzione laterale e gli improvvisi cambi di corsia sono la causa principale per l'abbassamento della soglia del ribaltamento mentre lo sloshing del fluido in direzione longitudinale, a seguito di una manovra di frenata o di accelerazione, può causare la perdita di controllo del veicolo. Le interazioni tra la dinamica del liquido e quella del veicolo non sono state sufficientemente studiate, infatti gli studi pertinenti riportati in letteratura sono limitati o allo sviluppo di metodologie per la previsione dello sloshing del liquido in contenitori generici o all'analisi della stabilità del veicolo sulla base di modelli semplificati per il moto del liquido, come ad esempio modelli quasi-statici del movimento del fluido o modelli basati sull'analogia del pendolo. In questo lavoro di tesi, un modello CFD per la dinamica dello sloshing è accoppiato con un modello a parametri concentrati di un veicolo. Il modello CFD è basato sulle equazioni di Navier-Stokes 3D che incorporano la tecnica Volume Of Fluid (VOF) per modellare due fluidi immiscibili risolvendo un unico set di equazioni di continuità e determinare la frazione di volume di ciascuno dei fluidi in tutto il dominio. La tecnica Moving Mesh (MM) è utilizzata per imporre il movimento alla cisterna, fornendo le velocità lineari ed angolari ad ogni passo temporale. Un modello di veicolo a 14 gdl è accoppiato con un modello CFD per valutare il comportamento del veicolo in una manovra di cambio di corsia, per indagare il comportamento del veicolo in una manovra di frenatura. In entrambi i casi sono state effettuate prove a diverse velocità e diversi livelli di riempimento, i risultati sono stati confrontati con i risultati sperimentali disponibili in letteratura. Inoltre la tilt table test è stata simulata per valutare l'influenza del livello di riempimento sulla accelerazione limite di ribaltmento statico.