基于SPH方法的航天器贮箱液体晃动动力学研究

发布时间：2017-07-08 15:05

  本文关键词：基于SPH方法的航天器贮箱液体晃动动力学研究

  更多相关文章： 航天器 大幅晃动 SPH 晃动力和力矩

【摘要】：随着航天任务的日益复杂和指向精度要求的提高,燃料贮箱内液体晃动成为控制系统设计中不可忽略的因素。除去比较成熟而代价高昂的在轨测量和地面缩比模型测试手段,我们可以用理论解析的力学模型,例如弹簧阻尼振子等效模型或者是单摆等效模型来求解幅度较小的液体晃动问题;然而如果遇到了非线性的特性比较明显的幅度较大的液体晃动,传统的基于网格的数值模拟方法由于网格畸变不再有很好的优势。本文的主要工作是利用无网格的光滑粒子流体动力学方法(SPH)求解常重力的各种工况下充液系统的大幅度非线性晃动。本文首先介绍了SPH方法的基本思想和应用前景,也介绍了程序化过程中采用的数值处理方法,基于SPH基本理论利用C语言编程,建立了传统SPH方法的求解程序,并对封闭腔剪切流动、溃坝问题和小幅线性晃动问题进行了数值仿真,证明了SPH求解不可压缩流体及伴随复杂自由液面的问题时十分有效。其次,本文详细介绍了针对大幅液体晃动问题在程序实现的过程中需要采用的一些数值计算方面的改进方法。对于传统SPH方法求解大幅晃动时遇到的边界间隙和压力场混乱问题,本文提出了一种加厚固壁虚粒子的边界处理方式,并通过合理控制边界粒子距离和影响域正确求解边界附近压力场。另外文章基于质点系动力学原理建立了液体晃动时施加给贮箱的力和针对任意点力矩的求解方法,并以矩形贮箱为例进行了成功的求解。在此基础上,本文对于复杂形状建模需要面临的初始粒子排布问题进行了探讨,包括最基本的矩形规则排布方式和径向圆弧排列方式,完善了SPH程序的前处理模块。此外对实际工程中的复杂形状结构贮箱的大幅晃动问题进行了求解,包括无防晃板和有防晃板的Cassini贮箱、复杂形状贮箱下舱工况,并基于仿真结果给出了防晃板防晃效果和复杂下舱尖角易受液体冲击的情况说明和设计建议。
【关键词】：航天器 大幅晃动 SPH 晃动力和力矩
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V434
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-17
• 1.1 研究背景与意义8
• 1.2 液体晃动研究方法8-11
• 1.2.1 理论解析法9
• 1.2.2 实验研究法9-10
• 1.2.3 数值仿真法10-11
• 1.3 SPH方法介绍11-16
• 1.3.1 基本思想与发展历程11-12
• 1.3.2 SPH在液体晃动领域的应用与发展12-16
• 1.4 本文主要内容16-17
• 第2章 SPH基本原理17-41
• 2.1 引言17
• 2.2 SPH理论基础17-21
• 2.2.1 SPH积分近似17-19
• 2.2.2 核函数19-21
• 2.2.3 粒子离散21
• 2.3 基于SPH的流体动力学21-25
• 2.3.1 密度离散22-23
• 2.3.2 动量方程离散23-24
• 2.3.3 能量方程离散24-25
• 2.4 SPH方法实现25-31
• 2.4.1 粒子搜索25-27
• 2.4.2 时间积分27-29
• 2.4.3 人工粘性29
• 2.4.4 光滑长度29-30
• 2.4.5 XSPH修正30-31
• 2.5 数值算例31-40
• 2.5.1 封闭腔剪切流动31-33
• 2.5.2 溃坝问题33-36
• 2.5.3 小幅线性晃动36-40
• 2.6 小结40-41
• 第3章 基于SPH的大幅晃动41-61
• 3.1 引言41
• 3.2 压力状态方程41-42
• 3.3 边界处理42-45
• 3.4 非惯性系中的充液晃动45-47
• 3.5 质点系动力学47-49
• 3.5.1 质点系动量定理47-48
• 3.5.2 质点系动量矩定理48-49
• 3.6 数值算例49-60
• 3.6.1 仿真模块程序结构49-52
• 3.6.2 后处理模块52
• 3.6.3 建模与结果分析52-60
• 3.7 小结60-61
• 第4章 实际工程贮箱液体晃动SPH求解61-79
• 4.1 引言61
• 4.2 前处理模块61-62
• 4.3 无防晃板CASSINI贮箱大幅度晃动62-67
• 4.4 有防晃板CASSINI贮箱大幅度晃动67-71
• 4.5 复杂形状的贮箱大幅度晃动71-76
• 4.6 算例分析76-78
• 4.7 小结78-79
• 第5章 结论与展望79-81
• 5.1 主要内容总结79
• 5.2 主要创新点79-80
• 5.3 展望80-81
• 参考文献81-86
• 致谢86-88
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果88

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本文编号：535049