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Arbitrary Lagrangian-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性特性。通过数值模拟结果与实验结果的比较，证实了本文方法的可靠性与有效性。

利用多维模态理论分析圆柱贮箱液体非线性晃动

将多维模态理论应用到求解作横向运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动问题.首先通过压力积分变分原理推导出描述液体作非线性晃动的一般形式无穷维模态系统,然后根据Narimanov-Moiseev三阶渐近假设关系,通过选取二阶主模态和三阶次模态,将无穷维模态系统降为五维渐近模态系统.通过对这个模态系统的数值积分可以看出一些典型的非线性特征(如波峰大于波谷、节径移动等).

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Narimanov-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。

充液椭球形Cassini贮箱刚-液耦合晃动特性试验研究

针对火箭发生刚-液耦合晃动时,箭体产生的横向偏移和姿态偏转现象难以在地面有效模拟的问题,设计并提出了一种基于六自由度平台的地面刚-液耦合晃动实验装置及方法,介绍了该装置的基本结构系统、刚-液耦合晃动实现方法及流程。在不同激励频率和多组充液高度下,对无挡板贮箱的刚-液耦合晃动位移进行了试验研究,发现激励频率与刚-液耦合晃动位移之间满足三次多项式函数关系。此外,从液体晃动的被动控制角度出发,在相同工况下对比探究了薄膜浮板与环形挡板对液体晃动的抑制效果,并对两种挡板结构下的晃动位移差异进行了解释分析。实验结果表明:薄膜浮板在不同充液高度下的“频率-位移”曲线趋势基本一致;而环形挡板与初始液位高度保持水平时,其对液面晃动的抑制效果最明显。

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。

刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构及稳定性分析

该文采用3D刚体摆来等效推进剂的非线性晃动行为.由此研究了该刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构,介绍了系统的R^(3)约化(对应系统的平移不变性或总线动量不变性)以及S_(o)(3)约化(对应系统的旋转不变性或总角动量不变性),并推导了系统在约化空间s^(∗)_(o)(3)×s^(∗)_(o)(3)×S_(o)(3)上的约化Poisson括号.接着研究了刚-液耦合航天器系统的自旋稳定性特征,先根据对称临界原理推导了刚-液耦合航天器系统的相对平衡态,由此根据能量-动量方法与分块对角化技术,推导了系统的自旋稳定性条件和Arnold形式的稳定性边界.最后根据具体模型参数,给出了以图形方式展现的自旋稳定域.

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.