Nonlinear phenomena of three-dimensional liquid sloshing in microgravity environment

In astronautic engineering, propellant sloshing, i.e. the oscillatory motion of a liquid propellant in a mov- ing container, is a subject of great importance[1―17]. Sloshing has an unfavorable influence on spacecraft stability and may disturb the flight …     

求解液体大幅晃动问题的数值方法评述

对在推进剂贮箱中带有自由液面液体大幅晃动问题的研究是一个在充液航天器动力学与控制分析中十分重要的问题．介绍和评述了求解带有自由液面液体大幅晃动问题的数值模拟方法,并简要介绍了这一领域的主要研究成果以及对今后工作的进一步展望     

粘性流体大幅晃动的ALE迎风有限元方法

将任意的拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)描述引入到速度修正格式中,利用迎风有限元法推导了数值离散方程,给出了ALE描述下的分步有限元计算格式,通过对不可压粘性流体大幅晃动问题进行数值模拟,证实了本文方法的有效性和可靠性.     

Fluid-Structure Interaction During Large Amplitude Sloshing and TLD Vibration Control

The arbitrary Lagrange-Eulerian (ALE) finite element method (FEM) was successfully used to analyze fluid-structure interaction with a free surface. The fluid was regarded as a convection dominated incompressible viscous with the viscous and the slip boundary conditions. Generalized variational principles were established for the problem with large amplitude sloshing due to the free fluid surface. The Newmark-β integration method with a predictor-corrector scheme was used to solve the nonlinear dynamic response of the coupled ALE-FEM equations. Numerical examples were given to analyze the effects of a tuned liquid damper (TLD) setting on the structure. The horizontal nonlinear displacement responses in time domain at the top of the structure and the fluid elevation histories along the wall were computed and compared with predictions of a simplified mass-spring system.     

基于SPH方法的液体晃动数值模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟研究贮液容器中带有自由表面的液体晃动问题.应用密度对比法捕捉自由表面粒子,并采用边界排斥力法与镜像粒子相结合的方法处理固体边界.计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及外部激励下的一阶模态晃动,得到了自由液面的波动和监测断面上的压强分布.将计算结果与理论值以及前人的实验数据对比表明,光滑粒子动力学方法作为一种无网格法,能较好地模拟带有自由液面的液体晃动问题.     

非线性激励作用下载液容器内液体晃动的数值模拟

通过对周期性边界激励下的圆柱形容器内液体晃动的数值模拟,分析了载液容器壁面受力与外部激励频率、摆动半径之间的变化关系,以及液体晃动幅值、频率与外部激励频率、摆动半径之间的变化关系.分析结果表明:载液容器内的液体在经历了一段调整期后,晃动幅值趋于稳定,晃动频率接近激励频率;当外界的激励频率接近液体固有频率时,液体晃动幅值增大,对容器壁面产生的冲击力增大;液体的晃动频率与摆动半径无关,晃动幅值随摆动半径的增大而减小.该结果对于非线性激励作用下载液容器内液体晃动的研究、保证载液容器的运行的安全,具有重要的参考价值.     

微重力环境下轴对称贮腔类液刚耦合动力学

采用球坐标系描述球腔中的液体动力学特性,并建立一种轴对称贮腔类液刚耦合系统动力学模型.采用模态展开方法分析了微重环境下球形贮箱中的液体晃动问题,给出了球形贮箱内液体晃动速度势函数和波高函数的高斯超几何级数解析表达式.采用伽辽金变分原理推导了系统动力学模型,并进行了特征频率分析.对耦合充液系统进行了数值仿真计算,并得到系统自由度随时间的变化历程.     

充液航天器姿态稳定分析的Casimir方法

充液航天器中的液体燃料晃动将可能导致航天器姿态不稳定性现象的发生．本文采用哈密顿动力学方法研究了半充液航天器姿态运动的稳定性问题．首先将晃动液体等效为弹簧质量块力学模型,建立了液体晃动与航天器姿态多体耦合动力学系统的哈密顿方程,并进一步推导了与耦合动力学系统相关的Casimir函数;借助于Casimir函数并采用李亚普诺夫稳定性理论推导出耦合系统的稳定性和非稳定性条件,最后给出了数值仿真结果及相关结论．     

基于ALE有限元方法的充液刚体耦合动力学仿真

假设液体是不可压缩的粘性液体,用Jourdain形式的普遍动力学原理建立充液系统的动力学控制方程,并采用交替积分法求解此数值计算模型.液体模块采用Lagrange-Euler描述方法建立有限元计算模型;充液刚体模块利用二阶显式Runge-Kutta格式离散的常微分方程组.在刚-液耦合界面将传递系统质心、转动惯量、晃动力、晃动力矩以及惯性力等耦合物理量.计算结果表明该方法能正确地反映充液耦合系统的运动学特征.与假设液面未扰充液系统的响应结果相比,耦合计算获得的结果具有较大幅度的角速度响应.     

ALE有限元法解二维自由面流体大晃动问题

从Navier-Stokes方程和连续性方程出发，在ALE描述下，用四边形单元对所求区域加以划分；并借助于Galerkin加权余量法导出相应的有限元方程组，在有限元计算中速度和压力均采用四节点线性插值函数；通过二维自由面流体大晃动问题实例的计算，给出相应的计算结果，阐明了该方法的优越性和局限性。     

刚性容器内流体非线性大幅晃动的数值模拟

取与容器固结的坐标系,将外激励视为质量力,针对刚性容器内流体非线性大幅晃动问题,提出了在时间和空间上均具有二阶精度的两步Taylor-Galerkin分步有限元方法.该方法首先显式地求解忽略压力梯度项的中间速度场,然后通过压力泊松方程求得压力场,最后根据求得的压力对速度场进行修正.求解中利用Level Set方法隐式地追踪自由面,即在每个时间步求解Level-Set函数随水流的输运方程,并通过迭代方法对其重新进行初始化处理,使其保持为距离的函数,从而达到捕捉自由面的目的.控制方程统一采用简便且具有较高精度的两步Taylor-Galerkin格式进行离散.算例验证结果表明,该数值方法是正确和有效的.     

基于非均质多相流模型的液舱晃荡数值模拟

应用非均质多相流模型对不同装载率和激励频率下矩形液舱的横摇晃荡运动进行了数值模拟.分析了液体重心的横向和纵向运动情况,计算了不同工况下自由液面形状与速度场分布以及舱壁测点处压力的时间历程和相应的功率谱密度.模拟结果与均质模型计算结果和试验结果的对比分析验证了非均质模型在模拟液舱晃荡时的优越性.     

液体晃动力学参数的辨识

提出一种确定液体晃动力学参数的新方法。建立晃动液体和运动容器的力学模型和它的差分方程，实测液体晃动时充液容器运动的信号，采用广义最小二乘法处理试验数据，估计出液体晃动的力学参数。用此种辨识方法获得的液体晃动的主频率和参预基频晃动液体的等效质量与理论计算和共振试验法得到的结果基本一致。     

带自由面充液航天器的自旋稳定性分析

研究充液航天器在液体晃动、航天器平动和摆动相互耦合情况下的自旋稳定性问题．采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法建立液体受迫振动的离散的动力学方程,并对液体自由振动的特征问题建立了有限元数值计算方法．由系统的动量方程、动量矩方程和液体受迫振动方程建立起刚－液耦合系统的姿态动力学方程,并由Ｋｅｌｖｉｎ定理,给出了充液航天器的自旋稳定性判据．最后以圆柱腔为例,分析了充液航天器自旋稳定性的结果．     

带有充液容器的压电结构晃振建模研究

为了利用压电驱动器作为主动元件抑制带有充液容器的结构晃振,需要对压电结构晃振进行精确建模。本文针对一个自由端部带有充液容器的压电悬臂结构,利用有限元方法对无充液情况下的压电悬臂结构进行模态分析并建立其状态空间表达式,利用质量摆等效力学模型描述容器中液体晃动,将推导出的压电悬臂结构模型和液体晃动模型耦合得到整个系统晃振模型。通过试验分别验证不同充液水平下的晃振模型的频率 和Bode图,结果表明建立的带有充液容器的压电悬臂结构晃振模型及其状态空间表达式可用于控制设计。     

舱内晃荡对船舶横摇影响的数值分析

利用两相流模型对带自由面的流动问题进行了数值模拟,计算了舱内水体晃荡对水舱横摇运动的影响。利用计算流体力学软件ＣＦＸ－４,模拟了舱体大幅横摇时水的晃荡、翻卷和重入,通过对不同的舱内水深、不同摇幅的水舱强迫和自由晃荡问题的数值计算,发现舱内水深对晃荡力矩有重要影响,在给定的计算频率下,浅水的影响比深水更大。     

Numerical Simulation of Two-dimensional Nonlinear Sloshing Problems

IntroductionSloshing is a phenomenon of great i mportance inengineering such as oil oscillationin a fuel tank,sloshing ofliquid propellant rocket and so on.The liquid in acontainer can be violent if the excitation frequency is closeto the natural frequency of liquid motion in the container,and a strong amplification of liquid motion will occur,which will cause high pressure to act on the container.Since sloshing is so i mportant for engineering,it hasbeen widely studied for many years,and vari…     

基于SPH方法的二维矩形舱液体晃荡数值研究

储液舱内液体晃荡是当外激激励频率与容器内部液体自由液面的固有频率接近时,液体产生的剧烈共振运动.采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在二维矩形舱低载液率横荡和横摇激励下,自由液面共振频率附近4个激励频率处开展数值研究.对比数值和对应实验中全局自由液面波形和冲击压力时程发现,SPH方法可以很好地模拟液体晃荡时的波形,如水跃、破碎波等自由液面的大变形运动.此外,该方法可用于模拟和评估非共振区域晃荡荷载的特性.建议采用两相流来模拟共振频率下液体剧烈的晃荡运动.     

半球形容器中液体自由晃动非线性现象的实验研究

为了研究航天工程经常采用的半球形容器中液体自由晃动的非线性现象,采用激光位移传感器测量了半球形容器中液体第一阶侧向晃动自由衰减时波高随时闻的变化情况,然后通过数据处理进一步得到了频率和阻尼比的时间历程.结果表明,整个晃动过程可以分为比较分明的非线性和线性2个部分;在非线性部分不论何种液深情况液体的大幅晃动都表现出软特性,这与矩形容器的情况有所区别,晃动过程中阻尼比随振幅的变化关系比较复杂.值得注意的是阻尼比第一次起伏结束的时刻与频率由上升过渡到平穗的时刻大体一致.     

求Cassini贮箱内液体小幅晃动频率的解析方法

为得到航天器上燃料晃动频率,针对Cassini贮箱内液体小幅晃动,将贮箱的柱段近似为非常扁长的椭球,建立了原点位于与箱内静液面接触线处相切的圆锥顶点的球坐标系,用高斯超几何级数解析表达速度势和波高的模态函数,采用伽辽金方法将变分方程转变为一个标准的特征值问题形式的频率方程,求解了不同尺寸比例的旋转椭球形贮箱和Cassini贮箱在不同的充液比和不同的Bond数情况下液体小幅晃动的基频,并与已有的理论和实验结果进行对照.结果表明,本文方法用于求解旋转椭球形贮箱和Cassini贮箱内液体小幅晃动频率是可行的.