三维液体非线性晃动及其复杂现象

主要讨论三维液体非线性晃动问题 。将ALE（任意的拉格朗日-欧拉）运动学描述引人到Navier-Stokes方程的分步有限元计算格式中;在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkin加权余量方法得到了系统的有限元离散方程;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;模拟了三维液体的非线性晃动问题,得到了一系列三维液体非线性晃动的复杂现象.进一步模拟了考虑表面张力效应以及在微重力环境下三维液体的非线性晃动,揭示了考虑表面张力效应以及在微重力环境下液体非线性晃动的重要特征.井将所得结论与现有的实验结果进行了比较.从而证实了该方法的有效性与正确性.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.      

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。     

自由液面晃动对旋转充液腔体运动稳定性的影响

针对旋转充液腔体的运动稳定性问题,本文考虑自旋速率范围较宽的情况。引入表示离心力与液体表面张力之比的常数C_f,以Stewartson—Wedemeyer理论和Murphy方法为基础,研究腔内液体晃动对共振不稳定频带的影响。结果表明只有当自旋速率较小,液体表面张力较大时,自由液面晃动对腔体运动稳定性才有明显影响;反之则可忽略自由液面晃动对腔体运动稳定性的影响。     

俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动

首次对储仰运动圆柱贮箱中液体的有限幅值晃动问题进行了解析研究。首先建立了描述俯仰和／或偏航运动贮箱中液体晃动的非线性偏微分方程组,而后提出了相应的变分原理,建立了压力体积分形式的Ｌａｇｒａｎｇｅ函数,通过变分方程,最终得到措述俯仰和／或偏航运动圆柱贮箱中液体晃动的非线性动力学微分方程组,该动力学方程组自然满足液体自由表面的运动学和动力学办界条件。而后动用多尺度法求解了所得的动力学方程组,对非线性液     

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。     

Stable response of low-gravity liquid non-linear sloshing in a circle cylindrical tank

Under pitch excitation,the sloshing of liquid in circular cylindrical tank includes planar motion,rotary motion and rotary motion inside planar motion.The boundaries between stable motion and unstable motion depend on the radius of the tank,the liquid height,the gravitational intension,the surface tensor and the sloshing damping.In this article,the differential equations of nonlinear sloshing are built first. And by variational principle,the Lagrange function of liquid pressure is constructed in volume intergration form.Then the velocity potential function is expanded in series by wave height function at the free surface.The nonlinear equations with kinematics and dynamics free surface boundary conditions through variation are derived.At last,these equations are solved by multiple-scales method.The influence of Bond number on the global stable response of nonlinear liquid sloshing in circular cylinder tank is analyzed in detail.The result indicates that variation of amplitude frequency response characteristics of the system with Bond,jump,lag and other nonlinear phenomena of liquid sloshing are investigated.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

Forces and Moments of the Liquid Finite Amplitude Sloshing in a Liquid-Solid Coupled System

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｐａｃｅ,ｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｄｙｎａｍｉｃｓｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｌｉｑｕｉｄｓｌｏｓｈｉｎｇｉｓｏｆｔｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ[1].Ｉｎａｓｐａｃｅｃｒａｆｔｄｙｎａｍｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅｌｉｑｕｉｄｓｌｏｓｈｉｎｇｕｓｕａｌｌｙｃｏｕｐｌｅｓｗｉｔｈｒｉｇｉｄｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅ ,ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｐｐｅｎｄｉｘｅｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｕｎｃｔｉｏｎ .Ｏｎｏｎｅｈａｎｄ ,ｔｈｅｍｏｔ…     

Mathematical modelling and control of a nonholonomic spherical robot on a variable-slope inclined plane using terminal sliding mode control

In this paper, the three degrees-of-freedom motion of a two-dimensional rectangular liquid tank under wave action is simulated by the boundary element method in time domain. The coupling effects between tank motion and internal sloshing flow are investigated in partially filled conditions. The fourth-order Runge–Kutta method is adopted to update the wave shape and velocity potential on the free surface. The fully nonlinear mutual dependence of the incident wave, tank motion and internal sloshing flow is decoupled through an auxiliary function method, by which the liquid tank acceleration can be obtained directly without knowing the pressure distribution. The corresponding validation of numerical model is carried out and indicates that the accuracy of the present method is satisfactory to evaluate the dynamic responses of tank and sloshing motion. The corresponding response amplitude operators of tank motions for various wave frequencies, amplitudes and filling conditions are obtained, and the nonlinear coupling effects of sloshing flow on the tank responses are analyzed. It is found that the coupling effects have significant influence on sway and roll motion while have little impact on heave motion. The most important coupling effects on roll motion are the split of peak. In addition, due to the nonlinearity of sloshing flow, the roll motion amplitude is not linearly proportional to wave amplitude.