В гидродинамике выплескивание относится к движению жидкости внутри другого объекта (который, как правило, также находится в движении).
Строго говоря, жидкость должна иметь свободную поверхность, чтобы представлять собой задачу динамики выплескивания , когда динамика жидкости может взаимодействовать с контейнером, чтобы существенно изменить динамику системы. [1] Важными примерами являются выплескивание топлива в баках и ракетах космических кораблей (особенно верхних ступенях), а также эффект свободной поверхности (выплескивание груза) на кораблях и грузовиках, перевозящих жидкости (например, нефть и бензин). Однако движение жидкости в полностью заполненном баке, т.е. без свободной поверхности, стало общепринятым называть «выплеском топлива». [ не проверено в теле ]
Такое движение характеризуется « инерционными волнами » и может оказывать важное влияние на динамику вращения космического корабля. Для описания выплескивания жидкости были получены обширные математические и эмпирические зависимости. [2] [3] Эти типы анализа обычно проводятся с использованием вычислительной гидродинамики и методов конечных элементов для решения проблемы взаимодействия жидкости со структурой , особенно если твердый контейнер является гибким. Соответствующие безразмерные параметры гидродинамики включают число Бонда , число Вебера и число Рейнольдса .
Выплескивание — важный эффект для космических кораблей, [4] кораблей, [3] некоторых наземных транспортных средств и некоторых самолетов . Слош был одним из факторов аномалии во втором испытательном полете Falcon 1 и был замешан в различных других аномалиях космического корабля, включая близкую к катастрофе [5] спутника «Сближение с околоземными астероидами» ( NEAR Shoemaker ).
Выплескивание жидкости в условиях микрогравитации [6] [7] актуально для космических кораблей, чаще всего спутников на околоземной орбите , и должно учитывать поверхностное натяжение жидкости , которое может изменить форму (и, следовательно, собственные значения ) жидкой пробки. Как правило, большая часть массы спутника составляет жидкое топливо в начале жизни (BOL) или около него, и выплескивание может отрицательно повлиять на характеристики спутника по ряду причин. Например, выплеск топлива может привести к неопределенности в положении (наведении) космического корабля, которую часто называют джиттером . Подобные явления могут вызвать продольные колебания и привести к разрушению конструкции космического корабля.
Другим примером является проблемное взаимодействие с системой управления ориентацией космического корабля (ACS), особенно для вращающихся спутников [8] , которые могут страдать от резонанса между выплеском и нутацией или неблагоприятными изменениями инерции вращения . Из-за этих видов риска в 1960-х годах Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) тщательно изучало [9] выплескивание жидкости в баках космических кораблей, а в 1990-х годах НАСА провело эксперимент Миддека по динамике нулевой гравитации [10] на космическом шаттле. . Европейское космическое агентство продвинуло эти исследования [11] [12] [13] [14] с запуском SLOSHSAT . Большинство вращающихся космических аппаратов с 1980 года были испытаны в падающей башне Applied Dynamics Laboratories с использованием субмасштабных моделей. [15] Большой вклад также был сделан [16] Юго-западным научно-исследовательским институтом , но исследования широко распространены [17] в научных кругах и промышленности.
Продолжаются исследования воздействия выплесков на космические склады топлива . В октябре 2009 года ВВС и United Launch Alliance (ULA) провели экспериментальную демонстрацию на орбите модифицированной верхней ступени «Кентавр» при запуске спутника DMSP-18 , чтобы улучшить «понимание оседания и выплескивания топлива». Вес DMSP-18 позволял использовать 12 000 фунтов (5 400 кг) оставшегося топлива LO 2 и LH 2 , что составляет 28% мощности «Кентавра» для орбитальных испытаний. Продление миссии после космического корабля длилось за 2,4 часа до того, как был выполнен запланированный запуск спуска с орбиты . [18]
Программа НАСА по услугам запуска работает над двумя текущими экспериментами по динамике жидкости с партнерами: CRYOTE и SPHERES -Slosh. [19] Дополнительные небольшие демонстрации управления криогенными жидкостями ULA запланированы в рамках проекта CRYOTE в 2012–2014 годах [20], что приведет к крупномасштабному испытанию криогенного ракетного топлива ULA в рамках программы демонстрации флагманских технологий НАСА в 2015 году . [ 19] 20] СФЕРЫ-Слош совместно с Технологическим институтом Флориды и Массачусетским технологическим институтом будут изучать, как жидкости движутся внутри контейнеров в условиях микрогравитации, с помощью испытательного стенда СФЕРЫ на Международной космической станции .
Выплескивание жидкости оказывает крайне неблагоприятное влияние на курсовую динамику и безопасность автоцистерн . [21] Гидродинамические силы и моменты , возникающие из-за колебаний жидкого груза в цистерне при маневрах рулевого управления и/или торможения, снижают предел устойчивости и управляемость частично заполненных автоцистерн . [22] [23] [24] Устройства, препятствующие выплескиванию жидкости, такие как перегородки, широко используются для ограничения неблагоприятного воздействия выплескивания жидкости на курсовую устойчивость и устойчивость автоцистерн . [25] Поскольку большую часть времени танкеры перевозят опасное жидкое содержимое, такое как аммиак, бензин и мазут, устойчивость частично заполненных жидких грузовых автомобилей очень важна. Оптимизация и методы уменьшения расплескивания в топливных баках, таких как эллиптические, прямоугольные, модифицированные овальные и типовые баки, были выполнены на различных уровнях наполнения с использованием численного, аналитического и аналогового анализа. Большинство этих исследований концентрируются на влиянии перегородок на выплескивание, в то время как влияние поперечного сечения полностью игнорируется. [26]
В автомобиле проекта Bloodhound LSR, развивающем скорость 1000 миль в час, используется ракета на жидком топливе, для которой требуется бак с окислителем со специальными перегородками для предотвращения нестабильности направления, изменений тяги ракеты и даже повреждения бака с окислителем. [27]
Выплескивание или смещение груза , водяного балласта или другой жидкости (например, в результате утечек или пожаротушения) может вызвать катастрофическое опрокидывание судов из-за эффекта свободной поверхности ; это также может повлиять на грузовые автомобили и самолеты.
Эффект плескания используется для ограничения отскока хоккейного мяча на роликах. Выплескивание воды может значительно уменьшить высоту отскока мяча [28], но некоторое количество жидкости, похоже, приводит к резонансному эффекту. Многие из широко доступных мячей для хоккея на роликах содержат воду, чтобы уменьшить высоту отскока.