【摘 要】
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在航天器发射、变轨、交会对接与大角度姿态机动过程中，很容易引发液体燃料的晃动甚至是强非线性的大幅晃动.液体晃动对航天器的姿态稳定性和控制精度都会产生不可忽视的影响.CFD数值方法能够有效预测和分析液体晃动的动力学特性.ALE(任意拉格朗日-欧拉)方法结合了拉格朗日方法与欧拉方法的优点，可以通过定义网格的运动实现自由液面的追踪，并减轻网格畸变.我们采用基于ALE描述的CBS有限元方法来数值模拟球形贮
【机 构】
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北京理工大学宇航学院,北京市海淀区中关村南大街5号 100081
【出 处】
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第十六届全国非线性振动暨第十三届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议
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在航天器发射、变轨、交会对接与大角度姿态机动过程中，很容易引发液体燃料的晃动甚至是强非线性的大幅晃动.液体晃动对航天器的姿态稳定性和控制精度都会产生不可忽视的影响.CFD数值方法能够有效预测和分析液体晃动的动力学特性.ALE(任意拉格朗日-欧拉)方法结合了拉格朗日方法与欧拉方法的优点，可以通过定义网格的运动实现自由液面的追踪，并减轻网格畸变.我们采用基于ALE描述的CBS有限元方法来数值模拟球形贮箱中三维液体大幅晃动，提出了一种新颖的网格移动算法.对接触线网格及自由液面网格指定其运动轨道，对湿壁面网格采用代数更新算法，对域内网格采用Laplace方程对网格速度进行平滑.我们对共振、拍振、液体旋转等液体晃动行为进行了数值模拟，计算结果与实验数据进行对比，两者吻合良好，证明了本文网格移动算法的可行性与准确性.我们进一步研究微重环境下液体晃动问题，实现了自由液面表面张力的计算，并设计了"虚拟无穷小边界法"，可以在三维液体晃动问题中方便地施加动态接触角边界条件.我们对微重环境下三维球形贮箱、圆柱贮箱中的液体晃动进行了数值模拟.计算结果与实验数据吻合良好，证明了本文数值计算方法正确有效.已有的ALE网格更新方法多数限于直壁面贮箱、直立圆筒贮箱等高斯曲率为零的贮箱(简单几何形状贮箱)，网格点沿单一方向运动；本文提出的网格运动算法使自由面网格沿空间轨道运动，具有更广泛的适用范围，成功应用于球形贮箱，并可进一步推广到Cassini贮箱.
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