Slosh dynamika - Slosh dynamics

„Slosh“ přeadresuje tady. Model bouřkového rázu viz Moře, jezero a Overland Surge z hurikánů. Typografický symbol viz obrácené lomítko.
Voda plovoucí v bazénu výletní lodi podstupující pohyb

v dynamika tekutin, cákat odkazuje na pohyb tekutý uvnitř jiného objektu (který obvykle také prochází pohybem).

Přísně vzato, kapalina musí mít a volný povrch představovat a nízká dynamika problém, kdy dynamika kapaliny může interagovat s nádobou, aby významně změnila dynamiku systému.[1] Mezi důležité příklady patří pohonná hmota slosh dovnitř kosmická loď tanky a rakety (zejména horní stupně) a efekt volného povrchu (náklad nehybný) na lodích a nákladních automobilech přepravujících kapaliny (například naftu a benzín). Stalo se však běžně označováno jako pohyb kapalin v plně naplněné nádrži, tj. bez volného povrchu, jako „palivo nevalné“.[není ověřeno v těle ]

Takový pohyb je charakterizován „inerciální vlny „a může to být důležitý efekt v dynamice rotujících kosmických lodí. K popisu kapalného nevalu byly odvozeny rozsáhlé matematické a empirické vztahy.[2][3] Tyto typy analýz se obvykle provádějí pomocí výpočetní dynamika tekutin a metody konečných prvků vyřešit interakce tekutina-struktura problém, zvláště pokud je pevný obal pružný. Mezi relevantní nedimenzionální parametry dynamiky tekutin patří Číslo dluhopisu, Weberovo číslo a Reynoldsovo číslo.

Voda stříkající ve skleněném kelímku

Slosh je důležitý efekt pro kosmické lodě,[4] lodě,[3] a nějaký letadlo. Slosh byl faktorem v Falcon 1 anomálie druhého zkušebního letu a byla zapletena do různých jiných anomálií kosmických lodí, včetně téměř katastrofy[5] s asteroidem Blízké Země Rendezvous (NEAR Shoemaker ) družice.

Efekty kosmické lodi

Liquid slosh in mikrogravitace[6][7] je relevantní pro kosmické lodě, nejčastěji obíhající kolem Země satelity, a musí brát v úvahu kapalinu povrchové napětí který může změnit tvar (a tím i vlastní čísla ) tekutého slimáka. Velká část hmotnosti satelitu je obvykle kapalná pohonná hmota v blízkosti / na začátku života (BOL) a neomalený pohyb může nepříznivě ovlivnit výkon satelitu mnoha způsoby. Například hnací plyn může vnášet nejistotu v postoji (ukazování) kosmické lodi, který se často nazývá chvění. Podobné jevy mohou způsobit oscilace pogo a může mít za následek strukturální selhání vesmírného vozidla.

Dalším příkladem je problematická interakce s kosmickou lodí Attitude Control System (ACS), zejména pro rotující satelity[8] které mohou trpět rezonance mezi slosh a nutace nebo nepříznivé změny rotace setrvačnost. Kvůli těmto typům riziko, v 60. letech 20. století Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) intenzivně studoval[9] kapalina v nádržích kosmických lodí a v 90. letech se NASA zavázala Experiment s dynamikou 0 gravitace na středním panelu[10] na raketoplán. The Evropská kosmická agentura pokročila v těchto vyšetřováních[11][12][13][14] se spuštěním SLOSHSAT. Většina rotujících kosmických lodí od roku 1980 byla testována na ponorné věži Applied Dynamics Laboratories pomocí dílčích modelů.[15] Byly také poskytnuty rozsáhlé příspěvky[16] podle Jihozápadní výzkumný ústav, ale výzkum je velmi rozšířený[17] v akademické sféře a průmyslu.

Výzkum pokračuje v nedbalých účincích naprostor sklady pohonných hmot. V říjnu 2009 Letectvo a United Launch Alliance (ULA) provedl experiment na oběžné dráze ukázka na upraveném Kentaur horní stupeň na DMSP-18 družice zahájení za účelem "lepšího porozumění" usazování pohonných hmot a slosh "," Nízká hmotnost DMSP-18 umožnila 12 400 liber (5400 kg) zbývajícího LO2 a LH2 pohonné hmoty, 28% kapacity Kentaura, “pro testy na oběžné dráze. Prodloužení mise po kosmické lodi proběhlo 2,4 hodiny před plánovaným vypálit deorbit byl popraven.[18]

NASA Spusťte program služeb pracuje na dvou probíhajících experimenty s dynamikou tekutin s partnery: KRYOT a SPHERES -Cákat.[19] ULA má s projektem CRYOTE v letech 2012–2014 plánovány další malé demonstrace řízení kryogenních tekutin[20] což vedlo k velkokapacitnímu depotnímu testu ULA ve velkém měřítku pod NASA stěžejní technologické demonstrace programu v roce 2015.[20] SPHERES-Slosh s Florida Institute of Technology a Massachusetts Institute of Technology prozkoumá, jak se kapaliny pohybují uvnitř kontejnerů v mikrogravitaci, pomocí testovacího lůžka SPHERES na Mezinárodní vesmírná stanice.

Srazení v silničních cisternových vozidlech

Náraz kapaliny silně ovlivňuje směrovou dynamiku a bezpečnostní výkon dálnice cisternová vozidla velmi nepříznivým způsobem.[21] Hydrodynamické síly a momenty vznikající z kapaliny náklad kmity v nádrži pod řízení a / nebo brzdění manévry snižují mez stability a ovladatelnost částečně naplněného cisternová vozidla.[22][23][24] Anti-slosh zařízení, jako jsou přepážky, jsou široce používány, aby se omezil nepříznivý účinek kapalného efektu na směrový výkon a stabilitu cisternová vozidla.[25] Jelikož tankery převážejí nebezpečný kapalný obsah, jako je čpavek, benzín a topné oleje, je stabilita částečně naplněných nákladních vozidel velmi důležitá. Optimalizace a techniky redukce šikmých řezů v palivových nádržích, jako je eliptická nádrž, obdélníkový, upravený oválný a obecný tvar nádrže, byly provedeny v různých úrovních plnění pomocí numerických, analytických a analogických analýz. Většina z těchto studií se soustředí na účinky přepážek na spád, zatímco vliv průřezu je zcela ignorován.[26]

The Bloodhound SSC Projektové vozidlo s rychlostí 1 000 km / h využívá raketu na kapalná paliva, která vyžaduje nádrž se okysličovadlem se zvláštním tlumením, aby se zabránilo nestabilitě směru, změnám tahu rakety a dokonce poškození nádrže s okysličovadlem.[27]

Praktické efekty

Řazení nebo řazení náklad, voda zátěž nebo jiná kapalina (např. z netěsností nebo hašení požáru) může způsobit katastrofu převrhnutí na lodích kvůli efekt volného povrchu; to může ovlivnit také nákladní automobily a letadla.

Efekt slosh se používá k omezení odrazu a kolečkový hokej míč. Vodní bláto může výrazně snížit výšku odrazu míče[28] ale zdá se, že některá množství kapaliny vedou k rezonance účinek. Mnoho běžně dostupných míčků pro kolečkové hokejky obsahuje vodu ke snížení výšky odrazu.

Viz také

Reference

  1. ^ Moiseyev, N.N. & V.V. Rumyantsev. „Dynamická stabilita těl obsahujících tekutinu.“ Springer-Verlag, 1968.
  2. ^ Ibrahim, Raouf A. (2005). Dynamika uvolňování kapalin: teorie a aplikace. Cambridge University Press. ISBN  978-0521838856.
  3. ^ A b Faltinsen, Odd M .; Timokha, Alexander N. (2009). Sloshing. Tisk z univerzity v Cambridge. ISBN  978-0521881111.
  4. ^ Reyhanoglu, M. (23. – 25. Června 2003). Manévrování problémů s řízením kosmické lodi s neaktivní nízkou dynamikou paliva. Konference IEEE o řídicích aplikacích. 1. Istanbul: IEEE. str. 695–699. doi:10.1109 / CCA.2003.1223522.
  5. ^ Veldman, A. E. P .; Gerrits, J .; Luppes, R .; Helder, J. A .; Vreeburg, J. P. B. (2007). "Numerická simulace úniku kapaliny na palubě kosmické lodi". Journal of Computational Physics. 224 (1): 82–99. doi:10.1016 / j.jcp.2006.12.020.
  6. ^ Monti, R. "Fyzika tekutin v mikrogravitaci." CRC, 2002.
  7. ^ Antar, B.N. & V.S. Nuotio-Antar. „Základy dynamiky tekutin s nízkou gravitací a přenosu tepla.“ CRC, 1994.
  8. ^ Hubert, C. "Chování rotujících kosmických vozidel s palubními kapalinami." NASA GSFC Symposium, 2003.
  9. ^ Abramson, H. N. „Dynamické chování kapalin v pohybujících se kontejnerech“. NASA SP-106, 1966.
  10. ^ Crawley, E.F. a M.C. Van Schoor & E.B. Bokhour. „Experiment Middeck 0-Gravity Dynamics: Summary Report“, NASA-CR-4500, březen 1993.
  11. ^ Vreeburg, J.P.B. „Měřené stavy SLOSHSAT FLEVO“, IAC-05-C1.2.09, říjen 2005.
  12. ^ Prins, J.J.M. „Projekt SLOSHSAT FLEVO, Flight and Lessons Learned“, IAC-05-B5.3./B5.5.05, říjen 2005.
  13. ^ Luppes, R. & J.A. Helder & A.E.P. Veldman. „Liquid Sloshing in Microgravity“, IAC-05-A2.2.07, říjen 2005.
  14. ^ Vreeburg, J. P. B. (2008). "Kalibrace kosmické lodi Sloshsat při stacionárních otáčkách". Journal of Spacecraft and Rockets. 45 (1): 65–75. doi:10.2514/1.30975.
  15. ^ "Částečný seznam kosmických lodí testovaných ADL". Applied Dynamics Laboratories. Citováno 30. dubna 2013.
  16. ^ „Brožura 18-fluidní dynamiky ve vesmírných vozidlech“. Swri.org. Citováno 2012-03-09.
  17. ^ "Slosh Central". Sloshcentral.bbbeard.org. Citováno 2012-03-09.
  18. ^ ulalaunch.com Archivováno 17. 07. 2011 na Wayback Machine; Úspěšná ukázka letu prováděná letectvem a spojeneckou vypouštěcí aliancí posílí vesmírnou dopravu: DMSP-18, United Launch Alliance, Říjen 2009, zpřístupněno 10. 1. 2011.
  19. ^ nasa.gov
  20. ^ A b spirit.as.utexas.edu Archivováno 06.02.2011 na Wayback Machine; Jednoduchá skladiště pohonných hmotBernard Kutter, United Launch Alliance, FISO Colloquium, 2010-11-10, přístup 10.01.2011.
  21. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (2016-01-25). "Efektivní metodika pro simulaci dynamiky otáčení cisternového vozidla ve spojení s přechodnou tekutinou." Journal of Vibration and Control. 23 (19): 3216–3232. doi:10.1177/1077546315627565. ISSN  1077-5463.
  22. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (06.01.2014). "Rozsah použitelnosti teorie lineárního fluidního lomu pro predikci přechodné boční stability lomového a valivého pohybu cisternových vozidel". Journal of Sound and Vibration. 333 (1): 263–282. Bibcode:2014JSV ... 333..263K. doi:10.1016 / j.jsv.2013.09.002.
  23. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (01.07.2014). "Účinky průřezu nádrže na dynamická tekutá malá zatížení a stabilitu valení částečně naplněného cisternového vozu". European Journal of Mechanics B. 46: 46–58. Bibcode:2014EJMF ... 46 ... 46K. doi:10.1016 / j.euromechflu.2014.01.008.
  24. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (01.09.2015). „Trojrozměrná dynamická kapalina v částečně naplněných vodorovných nádržích podléhajících současným podélným a bočním buzením“. European Journal of Mechanics B. 53: 251–263. Bibcode:2015EJMF ... 53..251K. doi:10.1016 / j.euromechflu.2015.06.001.
  25. ^ Kolaei, Amir; Rakheja, Subhash; Richard, Marc J. (2015-01-31). "Spojená multimodální metoda a metoda hraničních prvků pro analýzu účinnosti proti částečným přepážkám v částečně naplněné nádobě". Počítače a kapaliny. 107: 43–58. doi:10.1016 / j.compfluid.2014.10.013.
  26. ^ Talebitooti, ​​R .; shojaeefard, M.H .; Yarmohammadisatri, Sadegh (2015). "Optimalizace tvaru válcové nádrže pomocí křivek b-spline". Počítač a kapaliny. 109: 100–112. doi:10.1016 / j.compfluid.2014.12.004.
  27. ^ „29, Slosh and Slam. 2012-06-29.
  28. ^ Sportovní míč pro kolečkové hokejky; US patent 5516098; 14. května 1996; Jeffrey Aiello.

Další reference