Loading article…
流体力学において、スロッシングとは、液体が別の物体（通常は、その物体自体も運動している）の内部で起こる動きを指す。
厳密に言えば、液体がスロッシングダイナミクス問題を構成するには、液体に自由表面がなければなりません。自由表面では、液体のダイナミクスが容器と相互作用して、システムのダイナミクスを大きく変化させることができます。[ 1 ]重要な例としては、宇宙船のタンクやロケット（特に上段）の推進剤スロッシング、液体（例えば、石油やガソリン）を輸送する船舶やトラックの自由表面効果（貨物スロッシング）などがあります。しかし、完全に満たされたタンク、つまり自由表面のないタンク内の液体の動きを「燃料スロッシング」と呼ぶのが一般的になっています。
このような運動は「慣性波」によって特徴付けられ、回転する宇宙船のダイナミクスにおいて重要な効果となる可能性があります。液体のスロッシングを記述するために、広範な数学的および経験的関係が導出されています。[ 2 ] [ 3 ]これらのタイプの解析は、特に固体容器が柔軟な場合、流体と構造の相互作用問題を解決するために、通常、計算流体力学と有限要素法を使用して行われます。関連する流体力学の無次元パラメータには、ボンド数、ウェーバー数、レイノルズ数などがあります。
スロッシングは、宇宙船[ 4 ]、船舶[ 3 ] 、一部の陸上車両、および一部の航空機にとって重要な効果です。スロッシングは、ファルコン1の2回目の試験飛行の異常の一因であり、ニア・アース・アステロイド・ランデブー（NEARシューメーカー）衛星のニア・デア・ディスアビリティ[ 5 ]を含む、他のさまざまな宇宙船の異常にも関係しています。
微小重力下での液体の揺動[ 6 ] [ 7 ]は、宇宙船、特に地球周回衛星に関係しており、液体の表面張力によって液体の塊の形状（ひいては固有値）が変化する可能性があることを考慮する必要があります。通常、衛星の質量の大部分は、運用開始時（BOL）またはその付近で液体推進剤であり、揺動はさまざまな方法で衛星の性能に悪影響を与える可能性があります。たとえば、推進剤の揺動は、宇宙船の姿勢（指向）に不確実性をもたらし、これはしばしばジッターと呼ばれます。同様の現象はポゴ振動を引き起こし、宇宙船の構造的破損につながる可能性があります。
もう 1 つの例としては、特に回転衛星[ 8 ]の場合、宇宙船の姿勢制御システム (ACS) との相互作用の問題があり、スロッシングと章動の共振や回転慣性の悪影響が生じる可能性があります。このようなリスクがあるため、1960 年代には米国航空宇宙局(NASA) が宇宙船タンク内の液体のスロッシングを広範囲に研究し[ 9 ]、1990 年代にはスペース シャトルでミッドデッキ 0 重力ダイナミクス実験[ 10 ]を実施しました。欧州宇宙機関は、SLOSHSATの打ち上げによりこれらの調査を進展させました[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。1980 年以降、ほとんどの回転宇宙船は、アプライド ダイナミクス ラボラトリーズの落下塔で縮尺モデルを使用してテストされています。[ 15 ]南西研究所も多大な貢献をしてきたが[ 16 ]、研究は学術界と産業界に広く普及している[ 17 ]。
宇宙空間の推進剤貯蔵庫におけるスロッシング効果に関する研究は継続されている。2009年10月、米国空軍とユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、DMSP-18衛星打ち上げ時に改良型セントール上段ロケットで軌道上実験を実施し、「推進剤の沈降とスロッシングの理解」を向上させた。「DMSP-18の軽量化により、軌道上試験のために12,000ポンド（5,400kg ） 、セントールの容量の28%に相当するLO 2とLH 2の推進剤が残っていた」。宇宙船打ち上げ後のミッション延長は、計画されていた軌道離脱燃焼が実行されるまで2.4時間続いた。[ 18 ]
NASAの打ち上げサービスプログラムは、パートナーと共同で進行中の2つのスロッシング流体ダイナミクス実験、 CRYOTEとSPHERES -Sloshに取り組んでいます。[ 19 ] ULAは、2012年から2014年にかけてCRYOTEプロジェクトで極低温流体管理の小規模実証実験を計画しており[ 20 ]、 2015年にはNASAの主力技術実証プログラムの下でULAの大規模な極低温衛星推進剤貯蔵庫試験が行われる予定です。[ 20 ]フロリダ工科大学とマサチューセッツ工科大学とのSPHERES-Sloshでは、国際宇宙ステーションのSPHERESテストベッドを使用して、微小重力下で容器内の液体がどのように移動するかを調べます。
液体の揺動は、高速道路のタンク車両の方向ダイナミクスと安全性能に非常に悪影響を及ぼします。[ 21 ]操舵および/または制動操作中のタンク内の液体貨物の振動から生じる流体力とモーメントは、部分的に充填されたタンク車両の安定限界と制御性を低下させます。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]バッフルなどのアンチスロッシング装置は、タンク車両の方向性能と安定性に対する液体の揺動の悪影響を制限し、「波効果」として知られる車両の不安定化を引き起こす積荷の動きを防ぐために広く使用されています。[ 25 ]ほとんどの場合、タンカーはアンモニア、ガソリン、燃料油などの危険な液体を輸送するため、部分的に充填された液体貨物車両の安定性は非常に重要です。楕円形タンク、長方形、修正楕円形、一般的なタンク形状などの燃料タンクの最適化と揺動低減技術は、数値解析、解析、類推解析を使用して、さまざまな充填レベルで実施されています。これらの研究のほとんどは、バッフルがスロッシングに及ぼす影響に焦点を当てており、断面の影響は完全に無視されている。[ 26 ]
ブラッドハウンドLSR 1,000mph プロジェクトカーは、液体燃料ロケットを使用しており、方向不安定性、ロケット推力の変動、さらには酸化剤タンクの損傷を防ぐために、特殊なバッフル付き酸化剤タンクが必要です。[ 27 ]
貨物、バラスト水、その他の液体（漏水や消火活動によるものなど）が揺れ動いたり移動したりすると、自由表面効果により船舶が転覆するなどの重大な事故につながる可能性があります。これはトラックや航空機にも影響を与える可能性があります。
スロッシング効果は、ローラーホッケーボールの跳ね返りを制限するために利用されます。水のスロッシングはボールの跳ね返りの高さを大幅に下げることができます[ 28 ]が、液体の量によっては共鳴効果が生じるようです。市販されているローラーホッケーボールの多くは、跳ね返りの高さを下げるために水を含んでいます。