Experimental studies of the impact of fluid sloshing in the tank on the dynamic characteristics of the “wing model – fuel tank” system

Flexible response of the airframe structural elements under operational loads are one of the main sources of fatigue damage accumulation. It is known that fuel sloshing in tanks can change the dynamic (frequencies and shapes of natural oscillations) and dissipative properties (oscillation damping decrements) of an elastic system, including partially or completely fuelfilled tanks. It is specified that fuel sloshing in tanks due to the additional oscillation energy dissipation of the elastic system can have a significant impact on both the fatigue and aeroelastic characteristics of aircraft structural elements. Theoretical and experimental studies, applicably to the majority of currently operating transport aircraft, have shown that when modeling dynamic phenomena and solving aeroelasticity problems, fuel can be considered conditionally solidified, which actually does not affect the resultant effect. The advent of modern heavy transport aircraft with a high aspect ratio wing and four engines on pylons under the wing has led to a considerable change in the dynamic picture of the aircraft interaction with the environment. The main feature is that, under this arrangement, the first horizontal bending mode of the wing is embedded in the main flexible modes that determine the dynamic response to external effects. In this case, the model of solidified fuel can have a significant impact on the accuracy of predicting dynamic loads and, as a consequence, on the quantitative characteristics of durability and aeroelasticity. The article presents the results of experimental studies of the impact of fluid sloshing in the tank on the dynamic characteristics (frequencies of natural oscillations and amplitudes of forced oscillations) of the “wing model – fuel tank” system. The design of the experimental installation and the methodology of conducting experiments are described. During the experiment, the tank was partially filled with liquid or full, and horizontal bending modes of the wing model, for which considering liquid sloshing in the tank is the most relevant, were studied. The tank refueling levels are determined at which the maximum effect of the system oscillation damping is achieved due to energy dissipation under liquid sloshing. The effect of various factors (presence of a top cover, internal structural frame, perforation in the structural frame) on the amplitudes and frequencies of forced oscillations is analyzed.

1. Гончаров Д.А., Пожалостин А.А. Исследования осесимметричных колебаний жидкости в цилиндрическом сосуде с пористой перегородкой // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 1. С. 66–71.

2. Овчинников В.В. Влияние подвижности топлива в баках на характеристики аэроупругости воздушного судна / В.В. Овчинников, С.Ф. Бородкин, М.А. Киселев, Ю.В. Петров // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2022. № 4. С. 4–11.

3. Овчинников В.В., Петров Ю.В. Численные методы исследования аэроупругости летательных аппаратов. М.: ИД Академии имени Н.Е. Жуковского, 2017. 160 с.

4. Flow-induced vibrations. Classifications and lessons from practical experiences. 2nd ed. Chapter 8: Vibrations in fluid–structure interaction systems / Под ред. Sh. Kaneko, T. Nakamura, F. Inada, M. Kato, K. Ishihara, T. Nishihara, M.A. Langthjem. Academic Press, 2014. Pp. 359–401. DOI: 10.1016/B978-0-08-098347-9.00008-4

5. Wang Y. A Study on the movement characteristics of fuel in the fuel tank during the maneuvering process / Y. Wang, C. Ruan, S. Lu, Z. Li [Электронный ресурс] // Applied sciences. 2023. Vol. 13, iss. 15. ID: 8636. DOI: 10.3390/app13158636 (дата обращения: 04.11.2023).

6. Дьяченко М.И., Хунг Н.З., Темнов А.Н. О движении несжимаемой жидкости в топливных баках с заборными устройствами // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16, № 2. С. 23–25. DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-2-23-35

7. Калиниченко В.А., Со А.Н. Экспериментальное исследование связанных колебаний сосуда с жидкостью // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. 2015. № 1 (58). C. 14–25.

8. Бужинский В.А. Колебания жидкости в цилиндрических баках с продольными демпфирующими перегородками // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2020. № 1. С. 9–21. DOI: 10.31857/S0568528119060033

9. Кречко А.В., Крикунов В.А., Кречко И.А. Влияние поперечных перегородок на продольную устойчивость автоцистерны // Современные прикладные исследования: материалы третьей национальной научно-практической конференции. Шахты, 16–19 апреля 2019 г. Новочеркасск: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, 2019. С. 126–129.

10. Попков А.А. Анализ динамического поведения демпфирующей перегородки в баке ракеты-носителя // Теория и практика современной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции. В 2 ч. Ч. 1. Пенза, 17 июня 2020 г. Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2020. С. 71–75.

11. Букреев В.И., Чеботников А.В. Волны на воде в продольно колеблющемся контейнере // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2015. № 3. С. 140–147.

12. Shamsoddini R. Numerical investigation of vertical and horizontal baffle effects on liquid sloshing in a rectangular tank using an improved incompressible smoothed particle hydrodynamics method // Journal of Computational and Applied Research in Mechanical Engineering. 2018. Vol. 8, no. 2. Pp. 177–187. DOI: 10.22061/jcarme.2019.2437.1231

13. Dalmon A., Lepilliez M., Tanguy S. et al. Comparison between the FLUIDICS experiment and direct numerical simulations of fluid sloshing in spherical tanks under microgravity conditions // Microgravity Science and Technology. 2019. Vol. 31, no. 1. Pp. 123–138. DOI: 10.1007/s12217-019-9675-4

14. Пожалостин А.А., Гончаров Д.А. Определение декремента колебаний жидкости в цилиндрическом сосуде с упругим плоским днищем // Естественные и технические науки. 2020. № 6 (144). С. 14–17.

15. Пожалостин А.А., Гончаров Д.А. Экспериментально-аналитический метод определения логарифмического декремента колебаний для случая осесимметричных колебаний упругого бака с жидкостью // Естественные и технические науки. 2018. № 6 (120). С. 93–94.

16. Бондаренко А.Ю., Лиходед А.И., Сидоров В.В. Построение механических аналогов подконструкций с учетом действующих на них активных сил // Математическое моделирование. 2020. Т. 32, № 8. С. 106–118. DOI: 10.20948/mm-2020-08-07

17. Пожалостин А.А. Механические аналогии и колебания бака с жидкостью // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 7. С. 15–19. DOI: 10.1134/S0235711919070095

18. Вин К., Темнов А.Н. Колебания вязкой трехслойной жидкости в неподвижном баке [Электронный ресурс] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. № 7 (91). С. 1–17. DOI: 10.18698/2308-6033-2019-7-1895 (дата обращения: 04.11.2023).