stringtranslate.com

Слэш динамика

Выплескивание воды в бассейне круизного лайнера, подвергающегося качке

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 .

Вода плещется в стеклянной чашке

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 ).

Эффекты космического корабля

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 в автоцистернах

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]

Практические эффекты

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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Моисеев, Н. Н. и В. В. Румянцев. «Динамическая устойчивость тел, содержащих жидкость». Спрингер-Верлаг, 1968 год.
  2. ^ Ибрагим, Рауф А. (2005). Динамика выплескивания жидкости: теория и приложения. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521838856.
  3. ^ аб Фальтинсен, Одд М.; Тимоха, Александр Н. (2009). Плескание . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521881111.
  4. ^ Рейханоглу, М. (23–25 июня 2003 г.). Задачи маневренного управления космическим аппаратом с динамикой неактивного выплеска топлива . Конференция IEEE по приложениям управления. Том. 1. Стамбул: IEEE. стр. 695–699. дои : 10.1109/CCA.2003.1223522.
  5. ^ Вельдман, AEP; Герритс, Дж.; Луппес, Р.; Хелдер, Дж.А.; Врибург, JPB (2007). «Численное моделирование плескания жидкости на борту космического корабля». Журнал вычислительной физики . 224 (1): 82–99. Бибкод : 2007JCoPh.224...82В. дои : 10.1016/j.jcp.2006.12.020.
  6. ^ Монти, Р. «Физика жидкостей в условиях микрогравитации». ЦПР, 2002.
  7. ^ Антар, Б.Н. и В.С. Нуотио-Антар. «Основы гидродинамики низкой гравитации и теплопередачи». ЦПР, 1994.
  8. ^ Хьюберт, К. «Поведение вращающихся космических аппаратов с бортовыми жидкостями». Симпозиум НАСА GSFC, 2003 г.
  9. ^ Абрамсон, Х.Н. «Динамическое поведение жидкостей в движущихся контейнерах». НАСА СП-106, 1966 год.
  10. ^ Кроули, EF и MC Ван Шур и Э.Б. Бохур. «Эксперимент по динамике 0-гравитации в Миддеке: сводный отчет», NASA-CR-4500, март 1993 г.
  11. ^ Врибург, JPB «Измеренные состояния SLOSHSAT FLEVO», IAC-05-C1.2.09, октябрь 2005 г.
  12. ^ Принс, JJM «Проект SLOSHSAT FLEVO, полет и извлеченные уроки», IAC-05-B5.3./B5.5.05, октябрь 2005 г.
  13. ^ Луппес, Р., Дж. А. Хелдер и А. Е. Вельдман. «Выплескивание жидкости в условиях микрогравитации», IAC-05-A2.2.07, октябрь 2005 г.
  14. ^ Врибург, JPB (2008). «Калибровка космического корабля Sloshsat при стационарной скорости вращения». Журнал космических кораблей и ракет . 45 (1): 65–75. Бибкод : 2008JSpRo..45...65В. дои : 10.2514/1.30975.
  15. ^ «Неполный список космических кораблей, испытанных ADL» . Лаборатории прикладной динамики . Проверено 30 апреля 2013 г.
  16. ^ «Брошюра 18-Гидродинамика в космических аппаратах» . Сайт Swri.org . Проверено 9 марта 2012 г.
  17. ^ "Слош Централ". Sloshcentral.bbbeard.org. Архивировано из оригинала 15 марта 2012 г. Проверено 9 марта 2012 г.
  18. ^ ulalaunch.com. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine ; Успешная демонстрация полета, проведенная ВВС и United Launch Alliance, улучшит космические перевозки: DMSP-18, United Launch Alliance , октябрь 2009 г., по состоянию на 10 января 2011 г.
  19. ^ НАСА.gov
  20. ^ ab Spirit.as.utexas.edu. Архивировано 6 февраля 2011 г. в Wayback Machine ; Хранилища топлива стали проще , Бернард Каттер, United Launch Alliance , коллоквиум FISO, 10 ноября 2010 г., по состоянию на 10 января 2011 г.
  21. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (25 января 2016 г.). «Эффективная методология моделирования динамики крена автоцистерны в сочетании с переходным выплескиванием жидкости». Журнал вибрации и контроля . 23 (19): 3216–3232. дои : 10.1177/1077546315627565. ISSN  1077-5463. S2CID  123621791.
  22. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (6 января 2014 г.). «Область применимости теории линейного выплескивания жидкости для прогнозирования переходных боковых выплесков и устойчивости к крену автоцистерн». Журнал звука и вибрации . 333 (1): 263–282. Бибкод : 2014JSV...333..263K. дои : 10.1016/j.jsv.2013.09.002.
  23. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (01 июля 2014 г.). «Влияние поперечного сечения резервуара на динамические нагрузки от выплеска жидкости и устойчивость к крену частично заполненной автоцистерны». Европейский журнал механики Б. 46 : 46–58. Бибкод : 2014EJMF...46...46K. doi :10.1016/j.eurotechflu.2014.01.008.
  24. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (01 сентября 2015 г.). «Трехмерное динамическое выплескивание жидкости в частично заполненных горизонтальных резервуарах, подверженных одновременным продольным и боковым возбуждениям». Европейский журнал механики Б. 53 : 251–263. Бибкод : 2015EJMF...53..251K. doi :10.1016/j.euromechflu.2015.06.001.
  25. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (31 января 2015 г.). «Совместный мультимодальный метод и метод граничных элементов для анализа эффективности защиты от выплескивания частичных перегородок в частично заполненном контейнере». Компьютеры и жидкости . 107 : 43–58. doi : 10.1016/j.compfluid.2014.10.013.
  26. ^ Талебитоти, Р.; Шоджаифард, Миннесота; Ярмохаммадисатри, Садег (2015). «Оптимизация конструкции цилиндрического резервуара с использованием b-сплайновых кривых». Компьютер и жидкости . 109 : 100–112. doi : 10.1016/j.compfluid.2014.12.004.
  27. ^ «29, Важность выплеска и удара» . 2012-06-29.
  28. ^ Спортивный мяч для хоккея на роликах; Патент США 5516098; 14 мая 1996 г.; Джеффри Айелло.

Другие ссылки