stringtranslate.com

Динамика выплеска

Плеск воды в бассейне круизного лайнера, подвергающегося килевой качке

В гидродинамике выплескиванием называют движение жидкости внутри другого объекта (который, как правило, также находится в движении) .

Строго говоря, жидкость должна иметь свободную поверхность , чтобы составить проблему динамики плескания , где динамика жидкости может взаимодействовать с контейнером, чтобы существенно изменить динамику системы. [1] Важные примеры включают плеск топлива в баках космических аппаратов и ракетах (особенно верхних ступенях), а также эффект свободной поверхности (плеск груза) на кораблях и грузовиках, перевозящих жидкости (например, нефть и бензин). Однако стало общепринятым называть движение жидкости в полностью заполненном баке, т. е. без свободной поверхности, «плеском топлива». [ не проверено в body ]

Такое движение характеризуется « инерционными волнами » и может быть важным эффектом в динамике вращающегося космического корабля. Для описания плескания жидкости были выведены обширные математические и эмпирические соотношения. [2] [3] Эти типы анализов обычно проводятся с использованием вычислительной гидродинамики и методов конечных элементов для решения проблемы взаимодействия жидкости и конструкции , особенно если твердый контейнер является гибким. Соответствующие безразмерные параметры гидродинамики включают число Бонда , число Вебера и число Рейнольдса .

Вода плещется в стеклянной чашке

Выплескивание является важным эффектом для космических аппаратов, [4] кораблей, [3] некоторых наземных транспортных средств и некоторых самолетов . Выплескивание было фактором аномалии второго испытательного полета Falcon 1 и было связано с различными другими аномалиями космических аппаратов, включая почти катастрофу [5] со спутником Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR Shoemaker ).

Эффекты космических кораблей

Выплескивание жидкости в условиях микрогравитации [6] [7] имеет отношение к космическим аппаратам, чаще всего спутникам на околоземной орбите , и должно учитывать поверхностное натяжение жидкости , которое может изменить форму (и, следовательно, собственные значения ) жидкого слага. Как правило, большая часть массы спутника составляет жидкое топливо в начале жизни (BOL) или около него, и выплескивание может отрицательно влиять на производительность спутника несколькими способами. Например, выплескивание топлива может внести неопределенность в положение (наведение) космического аппарата, что часто называется дрожанием . Подобные явления могут вызвать колебания pogo и привести к структурному отказу космического аппарата.

Другим примером является проблемное взаимодействие с системой управления ориентацией космического корабля (ACS), особенно для вращающихся спутников [8] , которые могут испытывать резонанс между плеском и нутацией или неблагоприятные изменения вращательной инерции . Из-за этих типов риска в 1960-х годах Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) тщательно изучало [9] плеск жидкости в баках космических кораблей, а в 1990-х годах НАСА провело эксперимент по динамике нулевой гравитации на миддеке [10] на космическом челноке . Европейское космическое агентство продвинуло эти исследования [11] [12] [13] [14] с запуском SLOSHSAT . Большинство вращающихся космических аппаратов с 1980 года были испытаны на башне падения Лабораторий прикладной динамики с использованием субмасштабных моделей. [15] Значительный вклад [16] внес также Юго -Западный научно-исследовательский институт , но исследования широко распространены [17] в академических кругах и промышленности.

Продолжаются исследования эффектов выплескивания на космических складах топлива . В октябре 2009 года ВВС и United Launch Alliance (ULA) провели экспериментальную демонстрацию на орбите на модифицированной верхней ступени Centaur при запуске спутника DMSP-18 с целью улучшения «понимания осаждения и выплескивания топлива», «легкий вес DMSP-18 позволил использовать 12 000 фунтов (5 400 кг) оставшегося топлива LO 2 и LH 2 , что составляет 28% от емкости Centaur», для испытаний на орбите. Продление миссии после спуска космического корабля длилось 2,4 часа до запланированного спуска с орбиты . [18]

Программа пусковых услуг NASA работает над двумя текущими экспериментами по динамике плескающейся жидкости с партнерами: CRYOTE и SPHERES -Slosh. [19] ULA планирует провести дополнительные мелкомасштабные демонстрации управления криогенной жидкостью в рамках проекта CRYOTE в 2012–2014 годах [20] , что приведет к крупномасштабному испытанию топливного хранилища криоспутников ULA в рамках флагманской программы демонстрации технологий NASA в 2015 году. [20] SPHERES-Slosh совместно с Флоридским технологическим институтом и Массачусетским технологическим институтом изучит, как жидкости перемещаются внутри контейнеров в условиях микрогравитации с помощью испытательного стенда SPHERES на Международной космической станции .

Плеск в автоцистернах

Выплескивание жидкости сильно влияет на динамику направления и безопасность автоцистерн крайне неблагоприятным образом. [21] Гидродинамические силы и моменты, возникающие из-за колебаний жидкого груза в цистерне при рулевом управлении и/или торможении , снижают предел устойчивости и управляемость частично заполненных цистерн . [22] [23] [24] Противоплесневые устройства, такие как перегородки, широко используются для ограничения неблагоприятного воздействия выплескивания жидкости на динамику направления и устойчивость цистерн . [ 25] Поскольку большую часть времени цистерны перевозят опасные жидкие вещества, такие как аммиак, бензин и мазут, устойчивость частично заполненных жидких грузовых транспортных средств очень важна. Оптимизации и методы снижения выплескивания в топливных баках, таких как эллиптический бак, прямоугольный, модифицированный овальный и бак общей формы, были выполнены на разных уровнях заполнения с использованием численного, аналитического и аналогового анализа. Большинство этих исследований сосредоточены на влиянии перегородок на выплескивание, в то время как влияние поперечного сечения полностью игнорируется. [26]

Проектный автомобиль Bloodhound LSR со скоростью 1000 миль в час использует жидкотопливную ракету, для которой требуется специально отгороженный бак окислителя, чтобы предотвратить неустойчивость направления, изменения тяги ракеты и даже повреждение бака окислителя. [27]

Практические эффекты

Выплескивание или смещение груза , водяного балласта или другой жидкости (например, из-за утечек или пожаротушения) может привести к катастрофическому опрокидыванию судов из-за эффекта свободной поверхности ; это также может повлиять на грузовики и самолеты.

Эффект плескания используется для ограничения отскока мяча для хоккея на роликах . Плеск воды может значительно снизить высоту отскока мяча [28], но некоторые количества жидкости, по-видимому, приводят к эффекту резонанса . Многие из мячей для хоккея на роликах, которые обычно доступны, содержат воду для снижения высоты отскока.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Моисеев, Н. Н. и Румянцев В. В. «Динамическая устойчивость тел, содержащих жидкость». Springer-Verlag, 1968.
  2. ^ Ибрагим, Рауф А. (2005). Динамика плескания жидкости: теория и приложения. Cambridge University Press. 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.). Проблемы управления маневрированием для космического корабля с неактивированной динамикой плескания топлива . Конференция IEEE по приложениям управления. Том 1. Стамбул: IEEE. стр. 695–699. doi :10.1109/CCA.2003.1223522.
  5. ^ Veldman, AEP; Gerrits, J.; Luppes, R.; Helder, JA; Vreeburg, JPB (2007). «Численное моделирование плескания жидкости на борту космического корабля». Журнал вычислительной физики . 224 (1): 82–99. Bibcode : 2007JCoPh.224...82V. doi : 10.1016/j.jcp.2006.12.020.
  6. ^ Монти, Р. «Физика жидкостей в условиях микрогравитации». CRC, 2002.
  7. ^ Антар, Б. Н. и В. С. Нуотио-Антар. «Основы динамики жидкости в условиях низкой гравитации и теплопередачи». CRC, 1994.
  8. ^ Хьюберт, К. «Поведение вращающихся космических аппаратов с жидкостями на борту». Симпозиум NASA GSFC, 2003.
  9. ^ Абрамсон, Х. Н. «Динамическое поведение жидкостей в движущихся контейнерах». NASA SP-106, 1966.
  10. ↑ Кроули, Э. Ф., М. К. Ван Шур и Э. Б. Бокхур. «Эксперимент по динамике нулевой гравитации на Миддеке: краткий отчет», NASA-CR-4500, март 1993 г.
  11. ^ Врибург, JPB «Измеренные состояния SLOSHSAT FLEVO», IAC-05-C1.2.09, октябрь 2005 г.
  12. ^ Принс, Дж. Дж. М. «Проект SLOSHSAT FLEVO, полет и извлеченные уроки», IAC-05-B5.3./B5.5.05, октябрь 2005 г.
  13. ^ Луппес, Р. и Дж. А. Хелдер и А. Э. П. Вельдман. «Выплескивание жидкости в условиях микрогравитации», IAC-05-A2.2.07, октябрь 2005 г.
  14. ^ Vreeburg, JPB (2008). «Калибровка космического аппарата Sloshsat при стационарных скоростях вращения». Журнал космических аппаратов и ракет . 45 (1): 65–75. Bibcode : 2008JSpRo..45...65V. doi : 10.2514/1.30975.
  15. ^ "Частичный список космических аппаратов, протестированных ADL". Applied Dynamics Laboratories . Получено 30 апреля 2013 г.
  16. ^ "18-Брошюра по гидродинамике в космических аппаратах". Swri.org . Получено 2012-03-09 .
  17. ^ "Slosh Central". Sloshcentral.bbbeard.org. Архивировано из оригинала 2012-03-15 . Получено 2012-03-09 .
  18. ^ ulalaunch.com Архивировано 17 июля 2011 г. на Wayback Machine ; Успешная демонстрация полета, проведенная ВВС и United Launch Alliance, улучшит космические перевозки: DMSP-18, United Launch Alliance , октябрь 2009 г., дата обращения 10 января 2011 г.
  19. ^ nasa.gov
  20. ^ ab spirit.as.utexas.edu Архивировано 06.02.2011 на Wayback Machine ; Упрощение складов ракетного топлива , Бернард Каттер, United Launch Alliance , Коллоквиум FISO, 10.11.2010, дата обращения 10.01.2011.
  21. ^ Колаи, Амир; Ракхея, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2016-01-25). «Эффективная методология моделирования динамики крена танковой машины в сочетании с переходным плеском жидкости». Журнал вибрации и управления . 23 (19): 3216–3232. doi :10.1177/1077546315627565. ISSN  1077-5463. S2CID  123621791.
  22. ^ Колаи, Амир; Ракхея, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2014-01-06). «Область применимости линейной теории плескания жидкости для прогнозирования переходного бокового плескания и устойчивости к качке танковых транспортных средств». Журнал звука и вибрации . 333 (1): 263–282. Bibcode : 2014JSV...333..263K. doi : 10.1016/j.jsv.2013.09.002.
  23. ^ Колаи, Амир; Ракхея, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2014-07-01). «Влияние поперечного сечения резервуара на динамические нагрузки от выплескивания жидкости и устойчивость к качению частично заполненного автоцистерны». European Journal of Mechanics B . 46 : 46–58. Bibcode :2014EJMF...46...46K. doi :10.1016/j.euromechflu.2014.01.008.
  24. ^ Колаи, Амир; Ракхея, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2015-09-01). «Трехмерное динамическое плескание жидкости в частично заполненных горизонтальных резервуарах, подверженных одновременным продольным и поперечным возбуждениям». European Journal of Mechanics B. 53 : 251–263. Bibcode : 2015EJMF...53..251K. doi : 10.1016/j.euromechflu.2015.06.001.
  25. ^ Колаи, Амир; Ракхея, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2015-01-31). «Связанный мультимодальный и гранично-элементный метод анализа противоплесневой эффективности частичных перегородок в частично заполненном контейнере». Компьютеры и жидкости . 107 : 43–58. doi :10.1016/j.compfluid.2014.10.013.
  26. ^ Talebitooti, ​​R.; shojaeefard, MH; Yarmohammadisatri, Sadegh (2015). «Оптимизация конструкции формы цилиндрического резервуара с использованием b-сплайновых кривых». Computer & Fluids . 109 : 100–112. doi :10.1016/j.compfluid.2014.12.004.
  27. ^ "29. Важность слоша и слэма". 2012-06-29.
  28. ↑ Спортивный мяч для хоккея на роликах; Патент США 5516098; 14 мая 1996 г.; Джеффри Айелло.

Другие ссылки