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。     

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。     

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。     

圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动实验及动力学特性分析

针对圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动力和力矩动态信号的采集与分析问题,设计了一种能同时实现充液贮箱整体固定安装和液体动态晃动力、力矩精确测量的实验装置,给出了相应的实验数据采集、分析和处理方法。通过开展大量实验,将实验数据与CFD仿真结果进行细致对比后发现:在旋转晃动状态下,CFD仿真结果存在明显的计算偏差,不便被独立的用于完整揭示贮箱内液体晃动的真实特性。最后,归纳了贮箱内液体的非线性稳态晃动行为随横向外激励频率的变化规律,并对比分析了驻波晃动、拍振晃动、多类复杂的旋转晃动等多种不同形式的非线性稳态晃动行为对运载工具控制系统的任务执行效率和稳定性的影响。     

贮箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验

采用有限体积(VOF)法 任意拉格朗日．欧拉(ALE)法，建立分析液体火箭贮箱内推进剂大幅晃动的数学模型，给出了计算的基本方程。对常重力和低重力下不同形状贮箱内推进剂的非线性晃动进行了数值模拟，并用落塔法进行了微重力下贮箱内液体晃动试验。结果表明，数值模拟法与落体试验的结果相近，在工程上有一定的实用价值。     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

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。     

利用气浮技术进行贮箱晃动试验方法研究

针对某型号大容积贮箱,其晃动特性直接影响到整个系统的动力学特性及轨道控制系统。为了获得该贮箱不同工况下的一阶自由晃动频率,首次提出利用气垫悬浮技术进行贮箱晃动试验的新方法,利用该方法设计出一整套试验系统,该系统包含试验件、激励系统、气浮控制系统、数据采集系统及加注排放系统等。使用试验系统开展不同工况条件下的液体晃动试验,并用CFD软件对该贮箱进行时域分析,结合傅立叶变换最终获得仿真结果。分析比较晃动试验结果、理论计算结果及CFD仿真计算结果,结果显示3种结果一致吻合,测试系统的可靠性和理论CFD仿真结果的正确性均得到验证。     

轴对称充液贮箱有加速度时的等效建模

用空间等效摆模型描述航天器储箱内液体晃动。根据液体晃动建模型与边界条件,获得了液体在贮葙腔内作涡旋运动时的赫姆霍兹方程。研究有加速度的平衡状态及小幅运动时固定腔体中理想流体的横向运动,分别求出每个腔体在固定基座上的固有频率和振型函数。航天器具横行速度和姿态运动时考虑航天器运动对加速度势的影响,给出液体对主刚体的作用力和力矩。由此建立了轴对称贮箱等效力学模型。加入干扰的动力学响应分析验证了模型的正确性和实际影响效果。     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

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。     

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。     

大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析

针对高轨气象卫星的远地点发动机点火过程中贮箱内液体晃动与星体耦合动力学问题,根据流体力学及小幅液体晃动理论,建立可等效的液体晃动力学模型和姿态耦合动力学模型,分析了大型平铺贮箱内液体晃动产生的干扰力矩。研究表明：在远地点发动机点火阶段,液体晃动对卫星将产生较大干扰力矩。     

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.     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

多充液贮腔航天器耦合动力学与姿态控制

基于已有的质心面液体大幅晃动等效力学模型，采用拉格朗日方法，系统地建立了任意复杂激励下四贮腔航天器刚-液耦合动力学精确模型。由本文方法所得到的等效晃动力及晃动力矩与通过Flow3D计算出的相应结果吻合良好，验证了所建模型的可靠性。根据所建立的大幅晃动类充液航天器耦合系统动力学模型进一步研究了该类航天器在进行三轴稳定姿态机动时的主要动力学耦合特性，并设计了一类抑制姿态振荡的补偿控 制器。     

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。     

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。     

Equivalent mechanical model for liquid sloshing during draining

For a spacecraft draining liquid fuel during a continuous thruster maneuver, a brief equivalent method is proposed to model the time-varying properties of liquid sloshing for dynamics and control design. The sloshing liquid during draining is equivalent to a set of mechanical model with variable parameters. The model parameters for sample filling ratios are determined by an efficient finite element method according to equivalent principles, while the parameters for other filling ratios are obtained by piecewise linear interpolation. Using the proposed model, forces and torques acted on a Cassini shaped tank by the inside liquid during draining are investigated undergoing several typical motions. Verifications and comparative studies are done with Computational Fluid Dynamics simulations, which confirm the accuracy of the brief model while the sloshing amplitude is small and the flow rate is low.