航天器贮箱内液体晃动阻尼研究(二):数值计算

针对航天器贮箱中燃料晃动阻尼进行估算.在液体晃动阻尼理论研究的基础上,考虑了容器壁面、液体内部以及受污染的自由液面处产生的耗散,建立了一套计算刚性容器中液体小幅晃动阻尼的有限元计算方案,并将计算值与实验值以及经验公式值进行了比较.结果发现大部分情况下的实验值落在两种极端情况的计算值之间,此外如果将液面污染的Stokes边界层阻尼以一定的加权因子引入,可以获得与由实验数据拟合的经验公式一致的结果.     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

从具有非线性特征的衰减“拍”波形确定阻尼率的方法

本文提出一个从具有非线性特征的衰减“拍”波形确定阻尼率的方法——二次包络法。第一次包络是对衰减“拍”波形实施希尔伯特(Hilbert)变换得到的,第二次包络是以第一次包络曲线的峰谷值为基准,分段用线性插值形成的变系数指数曲线。根据第二次包络的两条曲线,用对数减量确定随响应振幅而变的阻尼率。本文以分离贮箱中液体晃动阻尼的确定为例验证了方法,结果表明精度达到了工程应用的程度。除对液体晃动的阻尼测定之外,本方法还适用于密模态高粘弹性结构的模态阻尼测定。     

低重环境下圆柱贮箱内液体晃动特性研究的一种解析法

考虑低重环境下圆柱贮箱内由于表面张力影响而呈现弯曲自由液面的情况,利用Fourier Bessel级数对贮箱受横向激励时的自由液面处的边界条件进行展开,得到液体晃动系统的广义状态方程,给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特性的计算公式。通过数值算例与文献结果对比,在验证文中方法正确性的同时,具体研究了各晃动特性随充液深度、外激励频率和Bond数等参数变化的规律。     

模态分析在液体晃动等效力学模型建模中的应用

针对传统方法在液体晃动等效力学模型建模中通用性差的缺点,提出了一种对弹性体有限元进行模态分析实现解算液体晃动特征问题的方法。推导了液体晃动力和力矩与有限元模态分析结果间的关系,建立了液体在横向激励作用下晃动的等效力学模型。以椭球底柱形贮箱为例,给出了不同充液深度时液体晃动频率、晃动质量和晃动质心位置的变化。结果表明:计算值与实验数据吻合较好,验证了方法的有效性与正确性。     

氧气/煤油发动机燃气热物理参数及输运系数计算

为了给氧气/煤油发动机设计和热防护设计提供必要的设计参数,针对氧气/煤油燃气进行热力学计算。运用吉布斯最小自由焓计算模型得到燃气平衡组成,通过拟合公式的方法得到燃气的热物理参数及输运系数。通过计算,得到氧气/煤油燃气的组分及比焓、密度、比熵、粘性系数等热物理参数和输运系数随温度和压力的变化特性。分析结果表明:水离解对氧气/煤油燃气组分变化存在显著影响,压力增大会导致水离解起始温度升高;氧气/煤油燃气比焓、比熵、定压比热、粘性系数、热传导系数变化在温度较低时受压力影响较小,当水开始离解后,压力的影响显著增强;组分在燃气中的扩散系数同时受到了温度和组分摩尔分数的影响;燃气普朗特数变化受热传导系数变化的影响较大,水离解后,热传导系数的迅速增大使燃气的普朗特数迅速减小。     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

火箭推进剂液体晃动关机响应的数值仿真

本文采用VOF方法对火箭发动机关机阶段所引起的液体晃动进行了数值仿真，以氧化剂贮箱为例，得到了贮箱无阻尼环和带阻尼环时的晃动仿真图和液体质心变化曲线，检验了VOF方法处理碎波的能力。     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

微重条件下平放圆柱形腔体内液体晃动问题

本文研究了平放的圆柱形腔体内的液体,在微重及一般重力场条件下的力学性态。解出了液体在上述条件下平衡自由液面的弯曲形状,分析了液体在晃动时的力学特性,给出一种计算液体晃动固有频率的简单方法,并利用等效力学模型计算了腔体所受的液体晃动压力和力矩。最后,将本文所得计算结果与在重力场条件下得到的实验结果(见NASA TND-252)进行了分析、对比。     

卫星液体晃动气浮台仿真试验系统的运动分析

本文通过边界元数值法求解了部分充液自旋球腔内的液体晃动问题。以流体运动的基本方程和系统运动的Ｅｕｌｅｒ动力学方程为基础，考虑了贮箱偏置、涡旋、重力及Ｃｏｒｉｏｌｉｓ力等因素对流体晃动和系统运动状态的影响，求解出液体的速度场，并在此基础上估算液体的能量耗散率和系统的章动时间常数     

变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟

以某卫星液体推进剂贮箱为研究对象,用Fluent三维数值模拟软件,对在零重力环境变轨过程中贮箱内液体推进剂的晃动特性进行数值模拟。分析了晃动过程中液体推进剂的质心变化和液体推进剂对贮箱的作用力。数值模拟获得了液体推进剂在变轨过程中晃动的频率和阻尼比。与ABRAMSON等根据实验结果拟合得出的阻尼比经验公式计算结果和文献中对阻尼比的简化计算结果相比,模拟结果接近经验公式,同时能反映阻尼比随液深的变化,计算结果具有可信度。     

大型充液卫星在轨模式识别

提出了大型充液卫星在轨模式识别的方法 ,通过大型充液卫星在轨飞行试验确定液体晃动阻尼 ,为控制系统设计中确定晃动阻尼提供最可靠的依据     

水平横向激励圆柱贮箱中液体的非平面运动

利用多维模态理论分析了受水平横向激励圆柱贮箱中液体的非线性晃动问题。首先求出描述液体非线性晃动的模态系统的稳态周期解,然后应用Floquet\|Lyapunov方法研究了周期解的稳定性,从而可以从理论上找到液体发生非平面的“旋转”运动时的频率范围。最后通过对液体晃动力的计算,发现其具有明显的“旋转”特征,可用于指导工程实际。     

分隔贮箱内液体晃动参数的识别方法

分隔贮箱内液体晃动问题可以用一个两自由度非线性阻尼系统予以描述。本文采用等效线性化方法处理非线性阻尼参数，给出了一种利用稳态正弦基础激励晃动试验技术确定分隔贮箱内液体晃动等效力学模型的参数识别方法。方法通过引入晃动模态的频响函数剩余影响的拟合项实现两阶晃动模态的分离识别。数值仿真计算表明，这一方法给出的参数识别结果可以满足工程应用的精度要求     

微重力充液系统大幅晃动动力学及其在航天高技术中的应用

本文首先论述了在微重力环境下充液系统大幅晃动动力学的理论基础，其次阐明了它在充液航天器动力学与控制中的应用，最后分析了液体大幅晃动自由边界的确定以及数值稳定性等问题。     

横向激励下液体大幅晃动建模分析

研究部分充液球形贮箱内的液体在横向推力作用下发生大幅晃动的等效力学模型,建模过程同时考虑平动和转动激励。建立一种新的等效模型,首次提出液体的静平衡表面垂直于等效重力方向的假设,将液体的大幅运动分解为跟随等效重力的整体运动和在此基础上的小幅晃动,该等效模型能够更好地模拟液体大幅晃动情形。将仿真得到的晃动力和力矩与传统等效模型及Flow-3d的结果进行对比,验证了新模型的有效性和准确性。该模型可应用于探月软着陆悬停避障过程等实际工程问题中。     

航天用纳米流体流动与传热特性的实验研究

研究航天用纳米流体流动与传热特性。测量了不同粒子体积份额的航天用纳米流体雷诺数500~4000范围内的管内对流换热系数和摩擦阻力系数,详细讨论了雷诺数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响,分析了航天用纳米流体的强化传热性能。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数,增加了液体的传热效果,粒子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的因素之一,在相同雷诺数条件下,纳米流体的对流换热系数随粒子体积份额的增加而增大。与原液体工质相比,航天用纳米流体的流动阻力系数稍有增大,纳米流体的流动阻力系数不随纳米粒子的体积份额而变化。与航天用纳米流体对流换热系数的增加相比,纳米流体流动阻力系数增大的程度极小,验证了纳米流体强化传热技术应用于航天器热控系统的可行性。     

充液航天器大幅晃动耦合动力学建模仿真研究

针对充液航天器大幅液体晃动与全星姿态运动的耦合问题,文章采用三维质心面法建立了储箱级等效力学模型和全星级耦合姿态动力学方程。该方法将储箱内液体等效为只能在其质心面内运动的质心点,而液体晃动对储箱的作用力（含力矩）用质心点与质心面之间的相互作用来模拟,同时利用牛顿欧拉法推导了液体晃动与航天器姿态运动的耦合动力学方程。数值仿真表明,计算结果与其国外实验卫星的在轨测量结果基本一致,从而初步验证了质心面等效力学模型用于全星级大幅液体晃动耦合动力学分析的有效性。     

航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。