Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Равновесие и колебания свободной поверхности жидкого топлива в коаксиально-цилиндрических сосудахв условиях микрогравитации

Опубликовано: 17.08.2021

Авторы: Чжаокай Ю., Темнов А.Н.

Опубликовано в выпуске: #8(116)/2021

DOI: 10.18698/2308-6033-2021-8-2099

Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы

Представлено решение задачи о равновесии и малых колебаниях идеальной жидкости в условиях микрогравитации. Дана количественная оценка влияния таких параметров, как угол смачивания, число Бонда, соотношение радиусов внутренней и внешней стенки сосуда, глубина жидкости в нем. Для сосудов в форме коаксиального цилиндра получены выражения потенциала скоростей жидкости и поля смещения свободной поверхности в виде ряда Бесселя. Дополнительно к аналитическим и экспериментальным данным, приведенным в литературе, доказана достоверность разработанного численного алгоритма и сделан вывод о том, что для и при неизменном физическом состоянии смачиваемой поверхности форма свободной поверхности приближается к плоской и угол смачивания мало влияет на собственные частоты колебаний свободной поверхности жидкости. Полученные результаты будут полезны при решении задач по определению гидродинамических характеристик движения жидкого топлива в условиях космического пространства.


Литература
[1] Мышкис А.Д., Бабский В.Г., Жуков М.Ю., Копачевский Н.Д., Слобожанин Л.А., Тюпцов А.Д. Методы решения задачи гидромеханики для условий невесомости. Киев, Наукова Думка, 1992, 592 с.
[2] Dodge F.T. The new “Dynamic behavior of liquids in moving containers”. NASA SP-106, 2000, 202 p.
[3] Ibrahim R.A. Liquid Sloshing Dynamics: Theory and Applications. 2nd ed. Cambridge, Cambridge Univ. Press, 2005, 948 p.
[4] Полевиков В.К. О методах численного моделирования равновесных капиллярных поверхностей. Дифференциальные уравнения, 1999, т. 35, № 7, с. 975–981.
[5] Cheng X., Wang Z. The equation and the numerical analysis of static fluid surface in revolving symmetrical tank under low gravity. Chinese Journal of Computational Physics, 2000, vol. 17 (3), pp. 273–279.
[6] Yang D., Yue B., Zhu L., Song X. Solving shapes of hydrostatic surface in rectangular and revolving symmetrical tanks under microgravity using shooting method. Chinese Journal of Space Science, 2012, vol. 32 (1), pp. 85–91.
[7] Chu W. Low-Gravity Fuel Sloshing in an Arbitrary Axisymmetric Rigid Tank. ASME. J. Appl. Mech., 1970, vol. 37 (3), pp. 828–837. https://doi.org/10.1115/1.3408616
[8] Wang Z., Deng Z. Sloshing of Liquid in Spherical Tank at Low-gravity Environments. Chinese Journal of Space Science, 1985, vol. 5 (4), pp. 294–302.
[9] Wang Z., Deng Z. On the Sloshing of Liquid in a Partially Filled Rectangular Tank under Low-gravity Condition. Journal of Tsinghua University, 1986, vol. 26 (3), pp. 1–9.
[10] Utsumi M. Low-gravity propellant slosh analysis using spherical coordinates. Journal of Fluids and Structures, 1998, vol. 12 (1), pp. 57–83. https://doi.org/10.1006/jfls.1997.0125
[11] Siekmann J., Scheideler W., Tietze P. Static meniscus configurations in propellant tanks under reduced gravity. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1981, vol. 28 (1), pp. 103–116.
[12] Zhou D. The Analysis of The Interface Shape of Rotating Liquid Annular Container at Zero-gravity Environment. Structure & Environment Engineering, 1994, no. 2, pp. 40–44.
[13] Dodge F.T., Garza L.R. Experimental and Theoretical Studies of Liquid Sloshing at Simulated Low Gravity. ASME. J. Appl. Mech., 1967, vol. 34 (3), pp. 555–562. https://doi.org/10.1115/1.3607743
[14] Wu W., Yue B. An Analytical Method for Studying the Sloshing Properties of Liquid in Cylindrical Tank under Low Gravity Environment. Journal of Astronautics, 2014, vol. 35 (4), pp. 397–403.
[15] Yue B., Wu W., Yan Y. Modeling and Coupling Dynamics of the Spacecraft with Multiple Propellant Tanks. AIAA J., 2016, vol. 54 (11), pp. 3608–3618. https://doi.org/10.2514/1.J055110
[16] Yue B., Yu J., Wu W. Rigid and liquid coupling dynamics and hybrid control of spacecraft with multiple propellant tanks. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017, vol. 49 (2), pp. 390–396. URL: http://lxxb.cstam.org.cn/CN/10.6052/0459-1879-16-342 (дата обращения 25.04.2021).
[17] Юй Чжаокай, Темнов А.Н. Исследование равновесной свободной поверхности капиллярной жидкости в тороидальном сосуде. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, вып. 3. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2021-3-2060
[18] Моисеев Н.Н., Петров А.А. Численные методы расчета собственных частот колебаний ограниченного объема жидкости. Москва, Вычислительный центр АН СССР, 1966, 272 с.
[19] Labus T. Natural frequency of liquids in annular cylinders under low gravitational conditions. NASA TN D-5412, 1969, 28 p.