Слюнявая динамика

В динамике жидкости , выплескивание относится к движению жидкости внутри другого объекта (который, как правило , также, подвергающееся движение).

Брызги воды в бассейне круизного лайнера при качке

Строго говоря, жидкость должна иметь свободную поверхность, чтобы образовать проблему динамики потока , когда динамика жидкости может взаимодействовать с контейнером, чтобы значительно изменить динамику системы. [1] Важные примеры включают выплескивание топлива в баках космических аппаратов и ракет (особенно на верхних ступенях) и эффект свободной поверхности (выплескивание груза) на кораблях и грузовиках, перевозящих жидкости (например, нефть и бензин). Однако стало обычным называть движение жидкости в полностью заполненном баке, то есть без свободной поверхности, «выбросом топлива». [ не проверено в теле ]

Такое движение характеризуется « инерционными волнами » и может быть важным эффектом в динамике вращающегося 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 и конструкции , особенно если твердый контейнер является гибким. Соответствующая гидродинамика безразмерных параметров включает число Бонда , то число Вебера , и число Рейнольдса .

"> Файл: Хлещущая вода, 2020.webmВоспроизвести медиа
Вода плещется в стеклянной чашке

Слезание - важный эффект для космических кораблей [4] кораблей [3] и некоторых самолетов . Слэш был одним из факторов аномалии в тестовом полете Falcon 1 , а также был замешан в различных других аномалиях космического корабля, включая близкую к катастрофе [5] со спутником сближения с Землей астероидов ( NEAR Shoemaker ).

Плеск жидкости в условиях микрогравитации [6] [7] актуален для космических аппаратов, чаще всего для спутников , находящихся на околоземной орбите , и должен учитывать поверхностное натяжение жидкости, которое может изменять форму (и, следовательно, собственные значения ) жидкой пробки. Как правило, большая часть массы спутника составляет жидкое топливо в момент начала эксплуатации (BOL) или почти сразу после него, и всплеск может неблагоприятно повлиять на характеристики спутника несколькими способами. Например, выплескивание пороха может внести неопределенность в ориентацию (наведение) космического корабля, что часто называют дрожанием . Подобные явления могут вызвать колебания и привести к разрушению конструкции космического корабля.

Другой пример - проблемное взаимодействие с системой управления ориентацией космического корабля (ACS), особенно для вращающихся спутников [8], которые могут испытывать резонанс между сглаживанием и нутацией или неблагоприятными изменениями инерции вращения . Из-за этих типов рисков в 1960-х годах Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) тщательно изучило [9] выплескивание жидкости в резервуарах космических кораблей, а в 1990-х годах НАСА провело эксперимент по динамике нулевой силы тяжести на миддеке [10] на космическом шаттле. . Европейское космическое агентство выдвинуло эти исследования [11] [12] [13] [14] с запуском Sloshsat . Большинство вращающихся космических аппаратов с 1980 года были испытаны в падающей вышке Applied Dynamics Laboratories с использованием суб-масштабных моделей. [15] Обширные материалы также были сделаны [16] по научно - исследовательскому институту Юго - Запада , но исследования широко распространены [17] в науке и промышленности.

Продолжаются исследования воздействия брызг на склады топлива в космосе . В октябре 2009 года ВВС и United Launch Alliance (ULA) выполнили экспериментальную демонстрацию на орбите модифицированной верхней ступени Centaur при запуске спутника DMSP-18 , чтобы улучшить «понимание оседания и выплескивания топлива », «The light Вес DMSP-18 позволял 12 000 фунтов (5 400 кг) оставшегося топлива LO 2 и LH 2 , что составляет 28% мощности «Кентавра» для испытаний на орбите. Продление полета после запуска космического корабля длилось 2,4 часа до того, как был выполнен запланированный спуск с орбиты . [18]

НАСА Услуга Программа Launch работает на два продолжающиеся выплескивание флюидодинамики эксперименты с партнерами: CRYOTE и Spheres -Slosh. [19] У ULA есть дополнительные мелкомасштабные демонстрации управления криогенными жидкостями, которые запланированы в рамках проекта CRYOTE в 2012–2014 годах [20], что приведет к крупномасштабным испытаниям хранилища криогенного топлива ULA в рамках программы демонстрации флагманских технологий НАСА в 2015 году [20]. 20] SPHERES-Slosh из Технологического института Флориды и Массачусетского технологического института изучит, как жидкости перемещаются внутри контейнеров в условиях микрогравитации, на испытательном стенде SPHERES на Международной космической станции .

Выплескивание жидкости сильно влияет на динамику движения и безопасность автоцистерн . [21] гидродинамические силы и моменты , возникающие из жидких грузов колебаний в резервуаре под рулевым управлением и / или торможения маневров уменьшают предел устойчивости и управляемости , частично заполненных автоцистерн . [22] [23] [24] Устройства, препятствующие выплескиванию, такие как перегородки, широко используются для ограничения неблагоприятного влияния выплескивания жидкости на курсовые характеристики и устойчивость автоцистерн . [25] Поскольку большую часть времени танкеры перевозят опасные жидкие вещества, такие как аммиак, бензин и жидкое топливо, устойчивость частично заполненных наливных грузовых автомобилей очень важна. Оптимизация и методы уменьшения плескания в топливных баках, таких как эллиптический бак, прямоугольный, модифицированный овал и бак общей формы, были выполнены при различных уровнях наполнения с использованием численного, аналитического и аналогичного анализа. Большинство этих исследований сосредоточено на влиянии перегородок на колебания, в то время как влияние поперечного сечения полностью игнорируется. [26]

В проектном автомобиле Bloodhound LSR на 1000 миль в час используется ракета на жидком топливе, для которой требуется специальный бак окислителя с перегородкой для предотвращения нестабильности направления, колебаний тяги ракеты и даже повреждения бака окислителя. [27]

Выплескивание или смещение груза , водяного балласта или другой жидкости (например, из-за утечек или тушения пожара) может вызвать катастрофическое опрокидывание судов из-за эффекта свободной поверхности ; это также может повлиять на грузовики и самолеты.

Эффект слияния используется для ограничения отскока мяча для хоккея на роликах . Плеск воды может значительно уменьшить высоту отскока мяча [28], но некоторое количество жидкости, кажется, приводит к резонансному эффекту. Многие из обычно доступных мячей для хоккея на роликах содержат воду, чтобы уменьшить высоту отскока.

  • Сейше , явление, затрагивающее озера и другие ограниченные водоемы.
  • Брызги (механика жидкости) , другие явления свободной поверхности
  • Всплеск встряхивания , звуковой медицинский знак

  1. ^ Моисеев, Н.Н. и В.В. Румянцевы. «Динамическая устойчивость тел, содержащих жидкость». Спрингер-Верлаг, 1968.
  2. ^ Ибрагим, Рауф А. (2005). Динамика плескания жидкости: теория и приложения . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521838856.
  3. ^ а б Faltinsen, Odd M .; Тимоха, Александр Н. (2009). Шлепанье . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521881111.
  4. ^ Рейханоглу, М. (23–25 июня 2003 г.). Задачи управления маневрированием космического корабля с незадействованной динамикой выброса топлива . Конференция IEEE по приложениям управления. 1 . Стамбул: IEEE. С. 695–699. DOI : 10,1109 / CCA.2003.1223522 .
  5. ^ Вельдман, AEP; Gerrits, J .; Luppes, R .; Helder, JA; Vreeburg, JPB (2007). «Численное моделирование всплесков жидкости на борту космического корабля». Журнал вычислительной физики . 224 (1): 82–99. DOI : 10.1016 / j.jcp.2006.12.020 .
  6. ^ Монти, Р. "Физика жидкостей в условиях микрогравитации". CRC, 2002.
  7. ^ Антар, BN и VS Nuotio-Антар. «Основы гидродинамики и теплопередачи с малой гравитацией». КПР, 1994.
  8. ^ Хуберт, К. "Поведение вращающихся космических аппаратов с бортовыми жидкостями". Симпозиум NASA GSFC, 2003 г.
  9. ^ Абрамсон, HN "Динамическое поведение жидкостей в движущихся контейнерах". НАСА SP-106, 1966 год.
  10. ^ Краули, EF & MC Van Щур и EB Bokhour. «Эксперимент по динамике нулевой силы тяжести на миддеке: сводный отчет», NASA-CR-4500, март 1993 г.
  11. ^ Vreeburg, JPB "Измеряется Штаты Sloshsat FLEVO", IAC-05-C1.2.09, Oct 2005.
  12. ^ Prins, JJM "Проект SLOSHSAT FLEVO, полет и извлеченные уроки", IAC-05-B5.3./B5.5.05, октябрь 2005 г.
  13. ^ Luppes, R. & JA Helder & AEP Вельдман. «Брызги 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. DOI : 10.2514 / 1.30975 .
  15. ^ «Неполный список космических аппаратов, испытанных ADL» . Лаборатории прикладной динамики . Проверено 30 апреля 2013 года .
  16. ^ Брошюра "18-Гидродинамика в космических аппаратах" . Swri.org . Проверено 9 марта 2012 .
  17. ^ "Слэш Сентрал" . Sloshcentral.bbbeard.org . Проверено 9 марта 2012 .
  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. ^ nasa.gov
  20. ^ a b spirit.as.utexas.edu Архивировано 6 февраля 2011 г. в Wayback Machine ; Propellant Depots Made Simple , 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 потоком жидкости». Журнал вибрации и контроля . 23 (19): 3216–3232. DOI : 10.1177 / 1077546315627565 . ISSN  1077-5463 .
  22. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2014-01-06). «Область применимости линейной теории выплескивания жидкости для прогнозирования переходного бокового выплескивания и устойчивости автоцистерн к качению». Журнал звука и вибрации . 333 (1): 263–282. Bibcode : 2014JSV ... 333..263K . DOI : 10.1016 / j.jsv.2013.09.002 .
  23. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (2014-07-01). «Влияние поперечного сечения цистерны на динамические выталкивающие нагрузки жидкости и устойчивость к качению частично заполненной автоцистерны». Европейский журнал Mechanics B . 46 : 46–58. Bibcode : 2014EJMF ... 46 ... 46K . DOI : 10.1016 / j.euromechflu.2014.01.008 .
  24. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (01.09.2015). «Трехмерный динамический выплеск жидкости в частично заполненных горизонтальных резервуарах при одновременном продольном и поперечном возбуждении». Европейский журнал Mechanics B . 53 : 251–263. Bibcode : 2015EJMF ... 53..251K . DOI : 10.1016 / j.euromechflu.2015.06.001 .
  25. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (31 января 2015 г.). «Комбинированный мультимодальный метод и метод граничных элементов для анализа противозадирной эффективности частичных перегородок в частично заполненном контейнере». Компьютеры и жидкости . 107 : 43–58. DOI : 10.1016 / j.compfluid.2014.10.013 .
  26. ^ Talebitooti, ​​R .; шоджаифард, MH; Ярмохаммадисатри, Садех (2015). «Оптимизация формы цилиндрического резервуара с использованием b-шлицевых кривых». Компьютер и жидкости . 109 : 100–112. DOI : 10.1016 / j.compfluid.2014.12.004 .
  27. ^ «29, важность шлепков и хлопков» . 2012-06-29.
  28. ^ Спортивный мяч для хоккея на роликах; Патент США 5516098; 14 мая 1996 г .; Джеффри Айелло.

Другие ссылки

  • Meserole, JS; Фортини, А. (декабрь 1987 г.). «Слэш динамика в тороидальном баке». Журнал космических аппаратов и ракет . 24 (6): 523–531. DOI : 10.2514 / 3.25948 .
  • (на английском языке) НАСА (1969), Подавление Slosh , май 1969, PDF, 36p
  • (на английском языке) НАСА (1966 г.), Динамическое поведение жидкостей в движущихся контейнерах с приложениями к ракетному топливу в топливных баках космических аппаратов , 1 января 1966 г., PDF, 464 стр.