微重环境中三维液体非线性晃动的数值模拟

将ALE（任意的拉格朗日-欧拉）运动学描述关系引入到Navier-Stokes方程中,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkin加权余量方法推导了系统的有限元数值离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界件的弱积分形式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒形贮腔中液体的非线性晃动,揭示了考虑表面张力效应时液体非线性晃动的重要特征。     

圆筒形贮腔中微重力液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力液体在圆筒形贮腔中的非线性晃动问题。将ALE（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述关系引入到Navier-Stokes方程中,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkinlk加权余量方法推导了系统的有限元数值离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式。推导了自由液面上法向矢量的计算公式。模拟了圆筒形贮腔中低重力液体的非线性晃动,并得到了自由液面、波高变化、压力响应等非线性动力特性。揭示了微重力液体非线性晃动的重要特征并将所得结论与现有的实验结果进行了比较。从而证实了本文方法的有效性与正确性。     

俯仰激励下三维液体大幅晃动问题研究

主要研究俯仰激励下三维液体大幅晃动问题,将任意Lagrange-Euler法 (arbitrary Lagrange-Euler, ALE)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中,推导了俯仰激励下液体大幅晃 动数值模拟计算公式,并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程和分步有限 元计算格式,采用ALE分步有限元方法对圆筒形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计 算. 得到了波高、晃动力及晃动力矩等晃动特性的时间变化历程,并对结果进行了分析,揭 示了俯仰激励下三维液体大幅晃动问题的非线性现象.     

三维液体非线性晃动动力学特性的数值模拟

主要讨论圆筒形贮腔中三维液体非线性晃动问题,将任意的拉格朗日-欧拉（即ArbitraryLagrangian-Eulerian,简称ALE）运动学描述引入到Navies-Stokes方程中,在时间域上采用一种速度和压力的分步计算格式进行时间离散;在空间域上利用Galerkin加权余量法对系统方程进行数值离散;得到了数值计算粘性不可压液体非线性晃动的ALE分步有限元法的计算格式,推导了三维液体自由液面上结点法向矢量的数值计算方法,模拟了圆筒形贮腔（包括带圆环形隔板的圆筒形贮腔）中三维液体的非线性晃动;并得到了一些重要的非线必不知所云 性,通过数值模拟结果与实验结果的比较,证明实了本文方法的可靠性与有效性。     

俯仰激励下液体大幅晃动问题研究

主要研究俯仰激励下液体大幅晃动问题，将ALE(arbitrary Lagrange-Euler)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中，推导了俯仰激励下液体大幅晃动数值模拟计算公式，并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程，采用ALE有限元方法对方形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计算，对结果进行了比较分析，揭示了俯仰激励下液体大幅晃动问题的非线性现象。     

微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象

为了得到微重力下液体晃动的特性,晃动模态用具有水平静液面的液体晃动模态近似. 液体晃动取前5 个重要模态,用Lagrange 方程推导了横向力作用下液体晃动和航天器结构的无量纲的耦合动力学方程并进行数值模拟. 模拟了液体晃动模态随外力振幅和频率变化产生的分岔现象,并分析了系统参数,如Bond数、接触角、接触角迟滞、充液高度、频率比、质量比以及外力的周期形式和方向等对晃动模态的分岔的影响.     

矩形贮箱内液体非线性晃动动力学建模与分析

基于理想流体的假设,根据H-O原理建立了充液贮箱刚体平动与液体非线 性晃动的耦合动力学方程,通过引入改进的势函数描述刚体和液体之间的动边界. 利用伽辽 金方法对动力学方程进行了离散. 针对液体非线性晃动情况,与ALE有限元方法、边界元方 法的结果进行了比较,验证了方法的可行性. 对刚体平动和液体非线性晃动耦合的情 况,数值模拟了多种外力激励下系统的响应. 利用等效力学模型解释了耦合系统固有频率升 高的现象.     

低重环境下俯仰运动圆柱贮箱内液体晃动

考虑低重环境下由于表面张力的影响使得圆柱贮箱内液体呈现弯曲自由液面的情况,以俯仰激励下液体晃动的占优模态振型函数为晃动速度势的基函数,利用傅里叶-贝塞尔级数对贮箱受俯仰激励时的自由液面处的运动边界条件进行展开,得到能描述晃动系统本质的广义状态方程,并分别给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特征的计算方法. 通过具体算例得到了俯仰激励下贮箱内液体晃动特征的动态响应,同时验证了文中方法的收敛性、可行性和正确性.      

液体三维晃动特征问题的有限元数值计算方法

本文采用有限元方法数值求解任意刚性容器内液体三维晃动的固有频率和模态。通过建立液体晃动特征问题的泛函极值原理，编制了四面体等参单元有限元程序，计算了平放圆柱腔内三维液体晃动的特征频率，并将矩形容器、球腔、带“十”字隔板球形容器内的液体三维晃动计算结果与解析解、实验结果和二维有限元数值解进行了比较，程序的正确性得到了验证。     

贮腔类三维自由液面动力学问题数值研究

讨论了贮腔类三维自由液面动力学问题的数值研究,将任意的拉格朗日-欧拉运动学描述关系引入到系统的控制方程中,采用任意的拉格朗日-欧拉描述跟踪自由液面,推导了自由面上结点的法向矢量计算公式。采用Galerkin余量法推导了Navier-Stokes方程的空间离散有限元方程,采用三维自由液面上微分几何理论推导了表面张力计算公式。数值研究中考虑了接触角效应,最后进行了三维数值算例分析。     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

Improved method for implementing contact angle condition in simulation of liquid sloshing under microgravity

The finite element simulation of liquid sloshing under microgravity is focused on in this paper. For this class of flows, an important issue is to implement the contact angle boundary condition appropriately. A novel method of adding infinitely small free-surface mesh just adjacent to the contact line is proposed here, which coincides with the physical definition of the contact angle. This free-surface mesh has its orientation determined according to the contact angle, and the mean curvature at the contact line can be computed using this orientation. Hence, surface tension force can be computed and incorporated as an essential boundary condition into the pressure solve. This method is convenient to be applied in three-dimensional simulations, and the use of relatively coarse meshes near the contact line is allowed. In order to validate the proposed method, several numerical simulations of flows in two-dimensional circular and three-dimensional cylindrical and spherical containers are presented, including calculation of equilibrium positions of the free surfaces, unsteady flows of liquid reorientation, and large-amplitude nonlinear liquid sloshing under lateral excitation in microgravity. Parts of the numerical results are compared with the theoretical and published experimental results.     

低重环境下俯仰运动圆柱贮箱中液体非线性晃动

在低重力环境下,用变分原理建立了液体晃动的压力体积分形式的Lagrange函数,并将速度势函数在自由液面处作波高函数的级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;最后用四阶Runge-Kutta法求解非线性方程组。计算结果表明,随俯仰激励频率的逐渐变化,由于面外主模态和次生模态同时失稳,致使整个系统各阶模态和波高函数由稳态运动过渡为不稳定运动。