基于sph方法的航天器贮箱液体晃动动力学研究

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1、基于SPH方法的航天器贮箱液体晃动动力学研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：航天航空学院学科：航空宇航科学与技术研究生：杜林霏指导教师：王天舒教授二○一五年六月LiquidSloshingDynamicsinSpacecraftTanksBasedontheSPHMethodThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinAeronauticalandAstron

2、auticalScienceandTechnologybyDuLinfeiThesisSupervisor:ProfessorWangTianshuJune,2015摘要摘要随着航天任务的日益复杂和指向精度要求的提高，燃料贮箱内液体晃动成为控制系统设计中不可忽略的因素。除去比较成熟而代价高昂的在轨测量和地面缩比模型测试手段，我们可以用理论解析的力学模型，例如弹簧阻尼振子等效模型或者是单摆等效模型来求解幅度较小的液体晃动问题；然而如果遇到了非线性的特性比较明显的幅度较大的液体晃动，传统的基于网格的数值模拟方法由于网格畸变不再有很

3、好的优势。本文的主要工作是利用无网格的光滑粒子流体动力学方法(SPH)求解常重力的各种工况下充液系统的大幅度非线性晃动。本文首先介绍了SPH方法的基本思想和应用前景，也介绍了程序化过程中采用的数值处理方法，基于SPH基本理论利用C语言编程，建立了传统SPH方法的求解程序，并对封闭腔剪切流动、溃坝问题和小幅线性晃动问题进行了数值仿真，证明了SPH求解不可压缩流体及伴随复杂自由液面的问题时十分有效。其次，本文详细介绍了针对大幅液体晃动问题在程序实现的过程中需要采用的一些数值计算方面的改进方法。对于传统SPH方法求解大幅晃动时遇到的

4、边界间隙和压力场混乱问题，本文提出了一种加厚固壁虚粒子的边界处理方式，并通过合理控制边界粒子距离和影响域正确求解边界附近压力场。另外文章基于质点系动力学原理建立了液体晃动时施加给贮箱的力和针对任意点力矩的求解方法，并以矩形贮箱为例进行了成功的求解。在此基础上，本文对于复杂形状建模需要面临的初始粒子排布问题进行了探讨，包括最基本的矩形规则排布方式和径向圆弧排列方式，完善了SPH程序的前处理模块。此外对实际工程中的复杂形状结构贮箱的大幅晃动问题进行了求解，包括无防晃板和有防晃板的Cassini贮箱、复杂形状贮箱下舱工况，并基于仿真

5、结果给出了防晃板防晃效果和复杂下舱尖角易受液体冲击的情况说明和设计建议。关键词：航天器；大幅晃动；SPH；晃动力和力矩IAbstractAbstractWiththeincreasinglycomplexspacemissionandstrictpointingaccuracyrequirements,liquidsloshinginfueltankshasbecomeanunavoidablefactorinthedesignofthecontrolsystem.Exceptforthematureandexpensivee

6、xperimentalmethod,thelineartheoryandequivalentmodelmethodcanbetakentosolvethesmallamplitudelinearliquidsloshing.However,thestrongnonlinearinfluenceisanoutstandingissueinthefieldoflargeamplitudesloshing,whichleadstotraditionalgridmethodwithoutagoodapplicability.Inthi

7、spaper,liquidsloshingproblembasedonSPHmethodwhichisasortofmeshlessmethodinordinarygravityismainlystudied.Inthispaper,theapplicationprospectandbasicthoughtofSPHmethodisintroduced.FollowingisthenumericalmethodintheprocessofprogrammingandtherealizationwithCprogrammingl

8、anguage.Basedonthetraditionalmethod,wesolveseveralproblemsincludingtheclosurecavityshearflow,thedambreakmovementandthesmallamplitudelinear