全充粘性液体偏置贮箱系统的稳定性

本文通过寻找液体运动的均匀涡旋解加上简单的边界层修正,分析了带 N 个全充粘性液体球形贮箱无力矩作用刚体的自旋稳定性.     

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。     

任意轴对称腔充液系统的自旋稳定性

本文对具有任意轴对称腔的充液陀螺的永久转动给出了稳定性判据，该判据了考虑了腔内液体的晃动，通过对液体晃动特征模态求解的有限元分析，得到涉及液体晃动的判据修正量仅仅与液面的几何形状有关，本文分别给出了液面为旋转抛物面，去底旋转抛物面和圆柱面的判据修正量计算公式，经过数值试验发现了相应的解析公式。     

自旋液体晃动研究

对旋转对称中心贮箱内的自旋液体晃动问题，提出了一个直接对Ｅｕｌｅｒ方程进行Ｇａｌｅｒｋｉｎ离散的近似方法，并分析了方法的近似性。     

贮液容器的晃动分析

贮液容器在晃动下的液固耦合振动问题是人们一直想解决的工程难题之一.本文以能量法导出了随时间作交替晃动的贮液容器的广义变分泛函,给出了这类问题的解法,并通过数值算例,对这类耦合振动的特征作了简要的分析.     

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     

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．     

充液矩形贮箱弹性箱底板应力与变形分析

基于相容拉格朗日-欧拉法,通过对流场与弹性固体间流固耦合作用的分析,得到了矩形贮箱弹性底板流固耦合系统的自由振动微分方程。将伯努利方程与外加激励条件、速度势函数耦合到自由振动方程中,采用迦辽金积分法,给出了矩形贮箱在流体作用下的应力与变形的解析解。讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构尺寸、底板材料参数及流体深度等因素对底板应力与变形的影响。研究结果表明:在液体晃动非线性激励作用下,贮箱底板的应力和变形随着液体深度、板长的增大而增大,随着板厚的减小而增大,且成非线性变化关系;底板的变形及应力与底板的材料常数相关,其中板厚的变化对其变形和应力影响要比板长及液体深度的影响显著得多。本文结果可为工程实际中矩形贮箱的设计提供参考。     

充液刚体动力学研究方法概述

充液刚体动力学源自19 世纪的经典力学, 发展至今成为以航天高科技为背景的动力学分支. 本文概述充液刚体的力学模型与实际对象不断接近, 研究方法随之不断更新的过程.     

Motion analysis of a spinning satellite system with off-centre tanks partially filled with liquid

The sloshing problem for, a spherical tank partially filled with liquid is analysed in this paper. The study is based on the goveming, equations of fluid dynamics and the Euler's equations of systems with the influences of tank off-centering, fluid vortices and the Coriolis' acceleration on the motion states of the systems taken into consideration. In the study, we adopt the concept of uniform vortex motion of fluid generalized by Pfeiffer and apply the boundary element method (BEM) to the calculation of the natural frequence and the velocity field of the liquid sloshing. The motion characteristics of the flow-solid spinning system is then analysed. The project is supported by the National Natural Science Foundation of China and Ministry of Astronautics.     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

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。     

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.      

防波板对罐车模型内液体晃荡影响的试验研究

罐车属于典型的移动式压力容器,在危险化学品运输中占有重要的地位。研究防波板对罐车液体晃荡产生冲击载荷的影响对于罐车的设计、防翻滚等具有重要意义。本文针对典型罐车模型进行试验,研究了载液高度、激励频率、激励幅值对液体晃荡引起的冲击载荷的影响,对比分析了有无防波板时自由液面的形状、罐车端面和防波板位置的冲击载荷峰值。试验结果发现：防波板会改变自由液面的固有频率,自由液面剧烈晃动的激励频率较无防波板时增大;防波板能有效降低相同激励频率和激励幅值下的冲击载荷峰值。在试验的激励频率范围内,中等载液高度时,防波板自由液面处的冲击载荷峰值大于同高度的罐车端面;高载液工况下,在自由液面以下的位置,罐车端面受冲击载荷峰值变化比防波板明显。在本研究基础上,通过实际罐车参数和液体晃动数值模拟,可对罐车和防波板的结构设计和优化提供指导。

     

ALE有限元方法研究及应用

将ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述引入到有限元方法中， 从而使有限元方法在解决大范围自由移动边界问题，特别是液体大幅晃动、流－固耦合、加工成型、接触、大变形等问题时获得极大成功。本文综述了ALE有限元方法的研究现状以及在不同领域的应用，并对 今后的研究及应用做了展望。     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理,采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性,采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟,建立了壁面糙率、旋转半径,静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试,验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法,获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程,分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明,边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素,边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快,圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.