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【6h】

零重力下航天器内液体晃动及液体—结构耦合动力学研究

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摘要

随着充液航天器中液体推进剂所占比重日益增加，对航天器运行精度的要求不断提高，各国学者对于充液航天器在运行过程中的液体晃动问题越来越重视。目前充液航天器中的液体推进剂的晃动问题已成为航天领域的重要研究方向。本文在分析研究国内外文献的基础上，采用三维数值模拟方法，对刚性连接贮箱以及柔性连接贮箱中液体，在零重力条件下的晃动特性、力学特性以及晃动模态进行研究分析。
　　本文首先用Pro/E建立贮箱模型，用ICEM前处理软件对贮箱模型进行网格划分，两相流模型采用VOF模型。在对研究内容进行正式计算之前，先对十分之一贮箱模型中液体受到纵向推力的情况进行数值模拟，其结果与国外学者所作的数值模拟结果以及实验结果非常吻合，验证了本文中数值模拟方法的准确性。
　　在对模型及数值模拟方法验证的基础上，对零重力纵向推力下，不同充液比、重力环境、液体质量流量以及接触角情况下贮箱中液体晃动特性、液面分布形式、力学特性以及模态进行了深入分析。分析表明，接触角对于液体晃动特性以及力学特性的影响最大。
　　目前对于贮箱中液体晃动的研究中，大都没有考虑到贮箱的运动对于液体晃动的影响，本文针对这一点，通过在Fluent中加载用户自定义函数，建立了柔性连接贮箱模型，考虑了柔性连接贮箱的运动对于液体晃动的抑制作用，分析了纵向推力下柔性连接贮箱中液体晃动的特性、力学特性以及模态。研究结果表明，在考虑贮箱的柔性连接后，贮箱内液体的晃动明显减小，并且液体对贮箱的作用力也明显降低。
　　最后，本文对于南北位保以及侧向激励下贮箱中液体的晃动也进行了研究分析。分别对南北位保(侧向推力作用)与侧向正弦激励下，柔性连接贮箱与刚性连接贮箱中液体的晃动进行三维数值模拟。结果发现，南北位保情况下，液体不同方向的液体晃动形式不同；侧向正弦激励下，液体晃动呈现出两个频率；并且，考虑贮箱的柔性连接后，南北位保和侧向激励下液体的晃动有所减小，液体对贮箱的作用力也有所降低。

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