Dewar瓶内液体晃动的近似计算方法

本文研究Dewar瓶内液体的晃动特征问题，将液体晃动的微分方程边值问题转换为具有积分形式的泛函极值问题，在此基础上建立了旋转对称容器液体晃动特征问题的有限元数值计算方法和通用程序，并计算了Dewar球，球腔，圆柱腔液体的晃动固有频率，结果显示了Dewar瓶综合了球腔和圆柱腔液体晃动的特征，它将液体晃动频率控制在一窄带范围之内。利用该程序，本文又计算了Dewar瓶液体晃动的单摆模型，为了便于工程应用，本文提出了一种对Dewar瓶建立等效圆柱容器液体晃动模型的方法，给出了模型的参数变换公式，从而可以通过对圆柱窝器液体晃动的解析计算得到Dewar瓶的液体晃动结果。利用数值计算结果，本文验算了近似计算方法的有效性和近似程序。     

微重力环境下慢自旋充液容器内的液体晃动

本文研究在表面张力作用下自旋刚性容器内的部分充液液体的自由晃动问题。采用Pfeiffer方法建立了液体自由晃动特征值边值问题,利用边界元法数值求解晃动的特征频率和模态,分别计算给出球腔内的液体晃动关于充液比、微重Bond数和自旋Bond数的特征叛率曲线。     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

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。     

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚-液-柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.     

微重状态下旋转椭球容器内液体晃动的等效力学模型

本文研究了微重状态下旋转椭球内液体晃动动力学．使用对一类特征函数展开的方法，得到了液体自由晃动的频率，得到了液体对腔壁的横向作用力和力矩，进而求出了液体晃动的等效力学模型．     

窄长方形贮箱中液体的强迫晃动

本文求解了窄长方形贮箱中液体的强迫晃动，给出激励中含恒定分量时的几种液面波高修正方法，并对它们作了比较．     

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.     

微重力场中液体在带隔板球腔内的晃动

本文讨论微重力场中带球面隔板的球腔内液体晃动问题。选择Legendre函数作为Ritz方法的基函数,计算液体的自由晃动及腔体横向振动激励的受迫振动。计算结果表明,自由晃动频率随隔板位置的下降而趋于升高。液体晃动的动力学效应可用等效的质量—弹簧系统模拟。     

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

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

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。     

液体晃动等效力学模型的参数识别

本文研究确定贮箱内液体晃动等效力学模型的参数的试验方法。通过对充液贮箱试验系统的简化分析得到系统的传递函数表达式,应用频响函数拟合方法得到了模型参数,在曲线拟合过程中利用权函数解决液体晃动的非线性影响因素。应用本文所述方法研究了某型号卫星推进剂贮箱的液体晃动问题。     

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.     

微重环境下液体晃动研究进展1）

现代航天器通常携带大量的液体燃料,液体晃动会影响航天器的姿态稳定性和控制精度,因此需要对晃动行为进行精确建模. 本文系统介绍了微重环境下液体晃动问题的国内外研究现状:理论分析方面,总结了小幅晃动和非线性晃动的研究方法;数值计算方面,介绍了模态分析和CFD (computational fluid dy-namics) 方法在该问题上的应用;物理实验方面,阐述了地面实验和在轨实验的方法及进展. 最后进行总结与评价,并提出了该领域未来需要解决的3 个问题.