JP5023778B2 - Large amplitude sloshing behavior prediction method - Google Patents
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Description
本発明は、宇宙機の推薬タンク等にて、重力方向の変化の影響によりタンク内部の液体がタンク内を広範囲に動くような大振幅のスロッシングを生じるときの挙動を予測するために用いる大振幅スロッシング挙動予測方法に関するものである。 The present invention is used for predicting the behavior of a propellant tank of a spacecraft when a large-amplitude sloshing that causes the liquid inside the tank to move in a wide range due to the influence of a change in the direction of gravity occurs. The present invention relates to an amplitude sloshing behavior prediction method.
宇宙機の推薬タンク内の推薬のような低重力環境のタンク内の液体がスロッシングを生じるときの挙動を予測する手法として、本発明者は、これまでに、図4に示す如きタンク1内の液体2の静的平衡時の液体形状が軸対称な場合に関して、静的平衡位置のまわりの線形振動を解析し(たとえば、非特許文献1、非特許文献2参照)、メカニカルモデル(スロッシングによってタンク1に働く力とモーメントをマスばね系でモデル化したもの)の作成を行う手法を提案している(たとえば、非特許文献3参照)。すなわち、具体的には、宇宙機における推薬タンク1の静的平衡時の液面3は、低重力宇宙で表面張力が重要になる場合を対象とするため、Z軸に垂直な平面ではなくZ軸に関して軸対称な曲面である。上記本発明者が従来提案している解析の特長は、図4に示したように、静的平衡時の液面3とタンク壁面との接触交線4でタンク壁面に接する円錐を考え、この円錐の頂点Oを原点として球座標を設定することである。この特長により、タンク形状が外側に凸の任意の軸対称な場合に対して、液体運動の特性関数(モード関数)が解析的に決定できるようになり、計算時間コストを著しく低減できるようにしてある。
As a technique for predicting the behavior when the liquid in the low gravity environment tank such as the propellant in the propellant tank of the spacecraft causes sloshing, the present inventor has so far proposed a
又、宇宙機の推薬タンクにて推薬の大振幅のスロッシングの挙動を予測するための別の手法としては、CFDを用いた数値解析法に属する手法も提案されてきている(たとえば、非特許文献4参照)。 As another method for predicting the sloshing behavior of a large amplitude propellant in a propellant tank of a spacecraft, a method belonging to a numerical analysis method using CFD has been proposed (for example, (See Patent Document 4).
ところが、上記非特許文献1、2、3に記載したような解析的手法は、タンク内の液体が、液面の静的平衡位置近くで微小振幅や、有限振幅で振動する場合の挙動解析には有効であるが、重力方向が変って液体がタンク内を広範囲に動くような、大振幅のスロッシングが起こる場合には適用限界が生じてしまい、上記したような大振幅のスロッシングに対しては、初期のわずかな時間範囲での液面の挙動の予測はできるが、振幅が大きくなると予測が困難になるというのが実状である。
However, analytical methods such as those described in
上記非特許文献4に記載された手法では、多くの計算時間を要すると共に、コストが嵩むという問題があり、しかも、CFDのプログラムがブラックボックス化されているため、或る想定された範囲内のスロッシングについてしか挙動予測を行うことができないという問題が生じる虞もある。 The method described in Non-Patent Document 4 requires a lot of calculation time and increases the cost. Further, since the CFD program is black boxed, it falls within a certain assumed range. There is also a possibility that a problem that behavior prediction can be performed only for sloshing may occur.
そこで、本発明者は、上記非特許文献1、2、3で提案した解析的手法を、重力急変によって液体が静的平衡位置から大きく移動する場合のような、大振幅スロッシングの挙動予測に発展させるための工夫、研究を重ねた結果、初期位置からの液面変位が大きくなると、液面基準位置を、初期の静的平衡位置から、その時点での液面近くに順次更新して解析すれば、大振幅のスロッシングの問題が、CFDを用いなくても、本発明者がこれまでに提案している静的平衡位置近くでの振動解析の繰り返しで解けるようになることを見出して本発明をなした。
Therefore, the present inventor has developed the analytical method proposed in
したがって、本発明の目的とするところは、宇宙機の推薬タンク等のように、重力方向の変化に伴いタンク内部の液体がタンク内を広範囲に動くような大振幅のスロッシングの挙動を予測でき、しかも、計算時間及びコストを著しく低減できる大振幅スロッシング挙動予測方法を提供しようとするものである。 Therefore, the object of the present invention is to predict sloshing behavior with a large amplitude such that the liquid in the tank moves in the tank over a wide range as the gravity direction changes, such as a propellant tank of a spacecraft. Moreover, it is an object of the present invention to provide a large amplitude sloshing behavior prediction method capable of significantly reducing calculation time and cost.
本発明は、上記課題を解決するために、コンピュータにより、タンク内の液体が静的平衡状態になる初期位置を基準位置として、液面の基準位置近くでの運動解析を、基準液面とタンク壁面に囲まれた液体の固有モードを用いて行い、該タンク内の液面の基準液面からの変位が、上記タンクの半径寸法の1/10に達すると、その時刻での液面変位後の液面を、新たな基準液面の位置とすると共に、初期液面の基準位置をこの新たな基準液面の位置に更新するまでの時間区間を求める工程と、次いで、上記更新された新たな基準液面の慣性主軸を求める工程と、該慣性主軸のうちの上記更新された基準液面と直交するものを軸として、該軸のまわりに周方向角座標をとり、該周方向角座標を等分割し、各分割区間で上記更新後の基準液面のタンク壁面との接触交線からタンク壁面に接線を引き、該接線と上記軸との交点を新たな原点として上記液面変位後の液面の球座標を求める工程と、上記球座標が求められた条件の下で、上記時間区間について、上記新たな基準液面の位置近くでの液面の運動解析を、基準液面とタンク壁面に囲まれた液体の固有モードを用いて行って、該基準液面からの変位が、上記タンクの半径寸法の1/10に達するごとに上記工程を順次繰り返し、時間区間の終わりの時刻での液面位置を求めることで、初期液面基準位置からの大振幅スロッシングの挙動を予測する大振幅スロッシング挙動予測方法とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention uses a computer to perform a motion analysis near the reference position of the liquid level using the initial position at which the liquid in the tank is in a static equilibrium state as a reference position. When the displacement of the liquid level in the tank from the reference liquid level reaches 1/10 of the radial dimension of the tank , the liquid level is displaced at that time. And determining the time interval until the reference position of the initial liquid level is updated to the position of the new reference liquid level, and then the updated new level. A step of obtaining a principal axis of inertia of the reference liquid level, and taking an angular coordinate around the axis with the inertial main axis orthogonal to the updated reference liquid surface as an axis, the circumferential angle coordinate And divide the reference liquid level after the above update in each divided section. A tangent is drawn to the tank wall from the contact line of intersection between click wall, a step of determining the spherical coordinates of the liquid surface after the liquid surface displacement of the intersection of the該接line and the axis as a new starting point, the spherical coordinate is obtained Under the above conditions, for the time interval , the liquid surface motion analysis near the position of the new reference liquid surface is performed using the eigenmode of the liquid surrounded by the reference liquid surface and the tank wall surface, When the displacement from the reference liquid level reaches 1/10 of the radial dimension of the tank, the above steps are sequentially repeated, and the liquid level position at the end of the time interval is obtained, so that the position from the initial liquid level reference position is obtained. A large-amplitude sloshing behavior prediction method for predicting a large-amplitude sloshing behavior is provided.
本発明の大振幅スロッシング挙動予測方法によれば、コンピュータにより、タンク内の液体が静的平衡状態になる初期位置を基準位置として、液面の基準位置近くでの運動解析を、基準液面とタンク壁面に囲まれた液体の固有モードを用いて行い、該タンク内の液面の基準液面からの変位が、上記タンクの半径寸法の1/10に達すると、その時刻での液面変位後の液面を、新たな基準液面の位置とすると共に、初期液面の基準位置をこの新たな基準液面の位置に更新するまでの時間区間を求める工程と、次いで、上記更新された新たな基準液面の慣性主軸を求める工程と、該慣性主軸のうちの上記更新された基準液面と直交するものを軸として、該軸のまわりに周方向角座標をとり、該周方向角座標を等分割し、各分割区間で上記更新後の基準液面のタンク壁面との接触交線からタンク壁面に接線を引き、該接線と上記軸との交点を新たな原点として上記液面変位後の液面の球座標を求める工程と、上記球座標が求められた条件の下で、上記時間区間について、上記新たな基準液面の位置近くでの液面の運動解析を、基準液面とタンク壁面に囲まれた液体の固有モードを用いて行って、該基準液面からの変位が、上記タンクの半径寸法の1/10に達するごとに上記工程を順次繰り返し、時間区間の終わりの時刻での液面位置を求めることで、初期液面基準位置からの大振幅スロッシングの挙動を予測する方法としてあるので、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)タンク内の液体にスロッシングが生じて初期位置からの液面変位が大きくなるとしても、液面基準位置を順次更新して、この更新された液面基準位置近くでの振動解析の繰り返しによって解くことが可能になる。
(2)更新された新たな基準液面について、振動の解析を行うのに適した球座標を容易に設定することができる。このため、この新たに設定された球座標を使って液体運動の特性関数を解析的に定め、モード解析により上記新しい基準液面からの変位が大きくなるまでの液体運動を解析することを繰り返すことで、従来、CFDでしか解けなかった大振幅のスロッシングの問題に、解析的手法の適用が可能になる。更に、このような解析的手法を適用することで、自由度を大幅に低減することができて、大振幅のスロッシングの挙動予測に要する計算時間及びコストを大幅に低減することが可能になる。
(3)基準液面の位置の更新を、タンク内の液面の変位が半径寸法の1/10に達するごとに行うようにすることにより、基準液面が更新されるごとに、該更新された基準液面を基に、液面基準位置近くでの振動解析を、半径寸法の1/10程度の範囲内で行えばよいため、微小振幅の振動解析の繰り返しによって、大振幅スロッシングの挙動予測を行うことが可能になる。
According to the large-amplitude sloshing behavior prediction method of the present invention , the motion analysis near the reference position of the liquid level is performed by the computer using the initial position where the liquid in the tank is in a static equilibrium state as the reference position. When the displacement of the liquid level in the tank from the reference liquid level reaches 1/10 of the radial dimension of the tank , the liquid level displacement at that time is performed using the natural mode of the liquid surrounded by the tank wall surface. The subsequent liquid level is set as the position of the new reference liquid level, and a step for obtaining a time interval until the reference position of the initial liquid level is updated to the position of the new reference liquid level is then updated. A step of obtaining a principal axis of inertia of a new reference liquid surface, and taking a circumferential angle coordinate around the axis with the inertial principal axis orthogonal to the updated reference liquid surface as an axis, the circumferential angle Equally divide the coordinates, and after the update A tangent is drawn to the tank wall from the contact line of intersection between the tank wall of the quasi-liquid surface, a step of determining the spherical coordinates of the liquid surface after the liquid surface displacement of the intersection of the該接line and the axis as a new starting point, the ball Under the conditions for which the coordinates are obtained , the liquid level motion analysis near the position of the new reference liquid level is performed for the time interval using the eigenmode of the liquid surrounded by the reference liquid level and the tank wall surface. The initial liquid level is obtained by repeatedly repeating the above steps each time the displacement from the reference liquid level reaches 1/10 of the radial dimension of the tank, and obtaining the liquid level position at the end of the time interval. Since it is a method for predicting the behavior of large amplitude sloshing from the reference position , the following excellent effects are exhibited.
(1) Even sloshing the liquid in the tank liquid surface displacement from the initial position increases occur, and sequentially updates the liquid level reference position, of the updated liquid level reference position Vibration Analysis of near It can be solved by repetition.
(2) The updated new reference liquid surface, a spherical coordinate suitable for performing the analysis of the vibration can be easily set. For this reason, the characteristic function of the liquid motion is analytically determined using the newly set spherical coordinates, and the analysis of the liquid motion until the displacement from the new reference liquid surface becomes large by modal analysis is repeated. Therefore, it is possible to apply an analytical method to the problem of sloshing with a large amplitude that has been solved only by CFD. Furthermore, by applying such an analytical method, the degree of freedom can be greatly reduced, and the calculation time and cost required for predicting the behavior of a large amplitude sloshing can be greatly reduced.
(3) By updating the position of the reference liquid level every time the displacement of the liquid level in the tank reaches 1/10 of the radial dimension, the reference liquid level is updated each time the reference liquid level is updated. Based on the measured reference liquid level, vibration analysis near the liquid level reference position may be performed within a range of about 1/10 of the radial dimension. Therefore, the behavior of large amplitude sloshing is predicted by repeating minute amplitude vibration analysis. It becomes possible to do.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の大振幅スロッシング挙動予測方法の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。 FIG. 1 shows an embodiment of the large amplitude sloshing behavior prediction method of the present invention, which is as follows.
ここで、最初に、本発明において、上記非特許文献1、2、3で提案している解析法を、大振幅スロッシングの挙動の解析に拡張する手法について示す。
Here, first, a method for extending the analysis method proposed in
図1において、O0XYZはタンク1に固定された座標系とし、且つ該タンク1は、Z軸に関して軸対称な形状とする。液体は初期に−Z方向の重力g(t)=−eZginit(t<0)(eZはZ方向の単位ベクトル)の下で静的平衡状態にあり、重力がg(t)=eXgX+eZgZ(t≧0)に変化したとき液体2が初期位置から大きく移動する大振幅のスロッシング問題を考える。
In FIG. 1, O 0 XYZ is a coordinate system fixed to the
この初期位置の近くでの振動解析は、上記非特許文献1、2、3に記載された解析法で行うことができる。本発明では、この解析法を、大振幅のスロッシング問題に拡張、発展させるため、基準液面(液面変位を計る基点となる液面)を、液面変位が成長(増加)して或る値に達するごとに、その時刻での液面近くに更新し、基準液面の更新までの各時間区間tn<t<tn+1の解析に、上記非特許文献1、2、3に記載されている解析法を適用することを考えた。
The vibration analysis near the initial position can be performed by the analysis methods described in
ところで、上記のようにして基準液面の更新を行うと、更新によって形成される新たな基準液面は、上記Z軸に対して軸対称ではなくなるため、この新たな基準液面とタンク壁面との接触交線でタンク壁面に接する円錐は存在しなくなってしまうという問題に直面する。しかし、上記非特許文献1、2、3に記載された解析法では、上述したように、基準液面とタンク壁面との接触交線でタンク壁面に接する円錐を用いることが、解析法のキーテクニックであった。
By the way, when the reference liquid level is updated as described above, the new reference liquid level formed by the update is not axisymmetric with respect to the Z axis. The problem is that there is no longer a cone that contacts the tank wall at the line of contact. However, in the analysis methods described in
この問題を解決するために、本発明では、上記したように、液面変位が成長(増加)して或る値、たとえば、半径寸法の1/10程度に達するごとに、その時刻での液面近くに基準液面の更新を行うと、先ず、該更新された基準液面の慣性主軸を求め、このうち液面とほぼ直交するものをz軸とする(図1参照)。次に、上記z軸のタンク壁面との交点を原点として直交座標x,y,zをx軸がXZ平面内に含まれるように設定し、z軸まわりの周方向角座標ψの分割区間ψj≦ψ≦ψj+1(ψj=0.5Δψ+(j−1)Δψ,Δψ=2π/N,j=1,2,…,N)ごとに、基準液面のタンク壁面との接触交線と、平面ψ=ψjの交点からタンク壁面に接線を引いて、この接線とz軸の交点を原点として球座標ORθψをとる。このような球座標ORθψを、図1に分割区間番号j=j1,j2について例示している。この球座標ORθψを用いて基準液面M、基準液面から変位した液面F、タンク壁面Wを次のように表す。
上記においては、液面がz軸に関して軸対称でないため、ある周方向座標で原点のz座標が正から負に変化し、プラスR方向にとられた液面変位ζが不連続になり得ることが懸念される。この問題を回避するため、原点がタンクに対して+z側、−z側のどちらにあるかに応じて+1、−1に設定される定数εを導入し、ζではなく、外向きの液面変位−εζを特性関数で展開表示する配慮を施す(後述する式(27)参照)。 In the above, since the liquid level is not axially symmetric with respect to the z axis, the z coordinate of the origin changes from positive to negative at a certain circumferential coordinate, and the liquid level displacement ζ taken in the plus R direction can be discontinuous. Is concerned. In order to avoid this problem, a constant ε set to +1 and −1 is introduced depending on whether the origin is on the + z side or the −z side with respect to the tank, and the liquid level is directed outward rather than ζ. Consideration is given to develop and display the displacement -εζ as a characteristic function (see equation (27) described later).
又、以下の解析の便利のため、運動座標系x≡(x,y,z)tとタンク固定座標系X≡(X,Y,Z)tの関係を次のように表しておく。
よって、上記球座標ORθψと上記運動座標系x≡(x,y,z)tとの関係は次式によって与えられる。
すなわち、第1に、低重力場で表面張力によって液面が強く湾曲しても、液面を1価関数で表すことができる。第2に、任意のタンク壁面形状に対して、液面変位がタンク壁面Wで壁面に接するという適合条件が満たされるようになる。
次に、上記のように球座標ORθψを設定した条件の下で、各時間区間についての液体運動解析について示す。
That is, first, even if the liquid level is strongly curved due to surface tension in a low gravity field, the liquid level can be expressed by a monovalent function. Secondly, for any tank wall surface shape, a conforming condition that the liquid level displacement contacts the wall surface at the tank wall surface W is satisfied.
Next, the liquid motion analysis for each time section will be described under the condition where the spherical coordinate ORθψ is set as described above.
ここで、先ず、上記支配方程式系と等価な変分原理を導く。表面張力がない場合のラグランジュアン密度は液圧に等しく、低重力下で表面張力が重要となった場合には、気圧と気液界面、固液界面、固気界面での表面エネルギによるポテンシャルエネルギを引かなくてはならないので、変分原理は次のようになる。
上記液圧plは、非定常流れに関する圧力方程式より、タンクに対して相対的な液体運動を表す速度ポテンシャルφを用いて次のように表される。
式(7)を式(6)に代入し、φ,ζ,Gに関して変分をとると次のようになる(詳細な導出方法は非特許文献1、非特許文献2を参照)。
上記φ,ζ,Gの変分の任意独立性より、Ei=0(i=1,2,…,5)が成り立つべき支配方程式となる。これらの物理的意味は次のとおりである。
E1=0は、液体領域内での連続条件を表し、渦なし流れの仮定によりラプラス方程式となる。
E2=0は、剛体と仮定されたタンク壁面Wでその法線方向の流速成分が0となる境界条件を表す。
E3=0は、液面と流体粒子の液面法線方向の速度成分が等しいという境界条件を表す。
E4=0は、気圧、液圧、表面張力の間の力のつりあい条件を表し、低重力宇宙で表面張力が重要となった場合、気液界面圧力差が生じることを示している。
E5=0は、接触角が液面運動時に3つの界面張力に応じた一定値をとることを表す条件である。
E6=0は、液体の非圧縮性の仮定に基づく体積一定条件である。
From the arbitrary independence of the above-described variations of φ, ζ, and G, E i = 0 (i = 1, 2,..., 5) is a governing equation that should hold. Their physical meaning is as follows.
E 1 = 0 represents a continuous condition in the liquid region, and becomes a Laplace equation by assuming a vortexless flow.
E 2 = 0 represents a boundary condition where the flow velocity component in the normal direction is 0 on the tank wall surface W assumed to be a rigid body.
E 3 = 0 represents a boundary condition that the liquid surface and the velocity component in the liquid surface normal direction of the fluid particles are equal.
E 4 = 0 represents a force balance condition among atmospheric pressure, liquid pressure, and surface tension, and indicates that a gas-liquid interface pressure difference occurs when surface tension becomes important in a low-gravity universe.
E 5 = 0 is a condition representing that the contact angle takes a constant value corresponding to the three interfacial tensions during the liquid surface motion.
E 6 = 0 is a constant volume condition based on the assumption of incompressibility of the liquid.
体積一定条件は他の運動学的条件E1=E2=E3=0から導くことができるので、Ei=0(1,2,…,5)を基礎式と見なすことができる。 Since the constant volume condition can be derived from other kinematic conditions E 1 = E 2 = E 3 = 0, E i = 0 (1, 2,..., 5) can be regarded as a basic expression.
次に、変分原理の球座標表示について示す。 Next, the spherical coordinate display based on the variational principle will be described.
上記式(8)中のNF,NW,dF,dW,dC,cosθ´Cを、式(2),(3)より微分幾何に基づいて球座標ORθψで表し、液面境界条件の項では液面の動径座標(式(2))を代入して液面変位ζについてテーラ展開して線形化すると、次のようになる。
液面の基準位置近くでの運動解析を、基準液面Mとタンク壁面Wに囲まれた液体の固有モードを用いて行う。このとき、基底となる固有モードが重力急変によって激しく変化することを抑制するため、与えられた重力場を乱さないように、固有値の決定に用いる−z方向の重力geiz>0を導入して液面における力学的境界条件の残差^E4を修正する(なお、本明細書では、便宜上、式中のハット(^)を上に付した文字を文中に記載する場合、ハット(^)を文字の前に記すこととする。以下同様。)。すなわち、与えられた重力を
上記式(23)中の直交座標の液面上での値は、式(2)の式(5)への代入と、式(4)での変換によって、
次いで、ガレルキン法による離散化について示す。 Next, discretization by the Galerkin method will be described.
上記のようにして導いた変分原理に、ガレルキン法による離散化手法を用いることによって、各時間区間での液面挙動を支配する、時間に関する常微分方程式を導出する。この離散化手法は、解を特性関数で展開した形に表して変分原理に代入することにより、展開係数(未知の時間関数で一般化座標という)に関する常微分方程式を導出する方法である。解の展開式は、次の形に表せる。
式(26)、式(27)を変分原理の式(15)に代入し、一般化座標amklq,cmkqについて変分をとると、次のようなマトリックス方程式が導かれる。
各列がマトリックスM−1K22の固有ベクトルであるマトリックスTを用いて、モード座標qへの変換c=Tqを行うと、
上記式(31)の左辺のqの係数は、固有振動数の2乗を対角要素とする対角行列である。上記式(31)を解くことによって、着目しているn番目の時間区間の終わりの時刻での液面位置Rn=RF,n(θn,ψn,tn+1)が決定する。 The coefficient of q on the left side of the above equation (31) is a diagonal matrix having the square of the natural frequency as a diagonal element. By solving the above equation (31), the liquid level position R n = R F, n (θ n , ψ n , t n + 1 ) at the end time of the n-th time interval of interest is determined.
本解析法の特長は、以上の時間区間内の解析が、下記の2点により、CFD等の従来の数値的方法に比較して高速、低コストで行えることである。 The feature of this analysis method is that the analysis within the above time interval can be performed at a higher speed and at a lower cost than the conventional numerical methods such as CFD due to the following two points.
すなわち、第1に、球座標ORθψの導入により特性関数が解析的に定められるようになる。第2に、モード変換のための固有値問題の次元が小さくてすむ。 That is, first, the characteristic function is analytically determined by introducing the spherical coordinate ORθψ. Second, the dimension of the eigenvalue problem for mode conversion can be small.
以上により、時間区間終端時刻での液面の慣性主軸のうち液面とほぼ直交するものが次の時間区間でのz軸、すなわちzn+1となる。したがって、zn+1軸とタンク壁面Wの交点を原点とし、yn+1をXZ平面内にとって直交座標系(xn+1,yn+1,zn+1)を定義し、次のように球座標(Rn+1,θn+1,ψn+1)を設定する。
この新しい球座標(Rn+1,θn+1,ψn+1)に、前の時間区間の終わりの時刻での液面位置Rn=RFn(θn,ψn,tn+1)を変換したものRn+1=RF,n+1(θn+1,ψn+1,tn+1)を新しい時間区間の初期液面として求める。液面変位の初期値を求めるため、先ず、新しい時間区間での基準液面を、次の楕円体面として設定する。
上記式(32)を式(33)に代入し、Rn+1に関して解くことにより、基準液面Rn+1=RM,n+1(θn+1,ψn+1)を決定する。このようにして定められる基準液面からの初期液面の外向き変位−ε(RF,n+1−RM,n+1)を、液面変位の許容関数を表す式(27)の基底で次式のようにフーリエ展開すると、一般化座標の初期値cmkq(tn+1)に関する連立1次方程式となり、これを解くことによって初期値cmkq(tn+1)が定められる。
したがって、以上の構成としてある本発明の大振幅スロッシング挙動予測方法によれば、タンク内の液体にスロッシングが生じて初期位置からの液面変位が大きくなるとしても、上記式(31)を解くことによって、現在、着目しているn番目の時間区間の終わりの時刻での液面位置Rn=RF,n(θn,ψn,tn+1)が決定することから、液面基準位置を、初期の静的平衡位置から現在の液面近くに順次更新して、この更新された液面基準位置を、静的平衡位置と置いてその振動についての解析を行うことができるため、大振幅のスロッシングの問題が、静的平衡位置近くでの振動解析の繰り返しによって解くことが可能になる。 Therefore, according to the large amplitude sloshing behavior prediction method of the present invention having the above configuration, even if sloshing occurs in the liquid in the tank and the liquid level displacement from the initial position increases, the above equation (31) is solved. Therefore, the liquid level position R n = R F, n (θ n , ψ n , t n + 1 ) at the end time of the n-th time interval of interest is determined by Since the initial static equilibrium position can be updated sequentially near the current liquid level, the updated liquid level reference position can be set as the static equilibrium position and the vibration can be analyzed. The sloshing problem can be solved by repeating the vibration analysis near the static equilibrium position.
具体的には、新しい基準液面の慣性主軸のうち、液面とほぼ直交するものを新たなz軸として、該z軸のまわりに周方向角座標ψを取り、この周方向角座標ψを等分割し、各分割区間で上記新しい基準液面のタンク壁面との接触交線からタンク壁面に接線を引き、該接線と上記z軸との交点を新たな原点として球座標を設定することができるため、この球座標を使って液体運動の特性関数を解析的に定め、モード解析により上記新しい基準液面からの変位が大きくなるまでの液体運動を解析する。これを繰り返すことで、従来、CFDでしか解けなかった大振幅のスロッシングの問題に、解析的手法の適用が可能になる。更には、このような解析的手法を適用することで、自由度を低減することができて、CFDでは、マトリクスの次元が数百〜千であったのに対し、本発明の大振幅スロッシング挙動予測方法によれば、マトリクスを5次元程度にまで大幅に低減することができる。したがって、大振幅のスロッシングの挙動予測に要する計算時間及びコストを大幅に低減することが可能になる。 Specifically, among the inertial principal axes of the new reference liquid surface, the one substantially orthogonal to the liquid surface is taken as the new z axis, and the circumferential angle coordinate ψ is taken around the z axis, and this circumferential angle coordinate ψ is Dividing into equal parts, a tangent line is drawn from the contact intersection line of the new reference liquid surface to the tank wall surface in each divided section, and the spherical coordinates are set with the intersection point of the tangent line and the z axis as a new origin. Therefore, the characteristic function of the liquid motion is analytically determined using the spherical coordinates, and the liquid motion until the displacement from the new reference liquid surface becomes large is analyzed by the mode analysis. By repeating this, it becomes possible to apply an analytical method to the problem of sloshing with a large amplitude that has been solved only by CFD. Furthermore, by applying such an analytical method, the degree of freedom can be reduced. In the CFD, the matrix dimension is several hundred to thousands, whereas the large-amplitude sloshing behavior of the present invention. According to the prediction method, the matrix can be significantly reduced to about five dimensions. Therefore, the calculation time and cost required for predicting the behavior of sloshing with large amplitude can be greatly reduced.
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、タンク1内部の液体2がタンク1内を広範囲に動くような大振幅のスロッシングを生じるときに更新される基準液面とタンク壁面との接触交線部分にて、タンク壁面との接線を引くことで、該接線と、上記更新された基準液面にほぼ直交する新たなz軸との交点を決定できるような形状であれば、いかなるタンク形状のタンクにおける大振幅スロッシングの挙動予測にも適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and the reference liquid level that is updated when a large amplitude sloshing that causes the
以下、本発明者が実施した本発明の有効性の検証の結果について説明する。 Hereinafter, the result of verification of the effectiveness of the present invention performed by the present inventor will be described.
図1の構成において、タンクを半径b=0.3mの球形として、以下の条件の下で計算を行った。
図2(イ)(ロ)に、ψ=15度−225度の面での液体の断面図を示す。図中の破線は、初期における液体の静的平衡位置を示すものである。 2A and 2B are cross-sectional views of the liquid on the plane of ψ = 15 degrees to 225 degrees. The broken line in the figure indicates the static equilibrium position of the liquid in the initial stage.
図2(イ)に示すように、液体は、途中の時刻(t=70sec)で最終位置を行き過ぎるオーバーシュートを生じた後、図2(ロ)に示す如く、最終位置に達することが判明した。最終位置は、変動後の重力方向に平行でタンク中心を通る直線について対称である。図3は、液面とタンク壁面との接触線上のψ=15度の点のX,Z座標の時間推移を示す。この点はタンク壁面のZ軸との交点付近に収束し、この付近でタンク壁面はほとんどZ軸に垂直であるため、この点のZ座標の最終値まわりの振動は非常に小さくなることが判明した。 As shown in FIG. 2 (a), it was found that the liquid reached the final position as shown in FIG. 2 (b) after overshooting over the final position at an intermediate time (t = 70 sec). . The final position is symmetric about a straight line that passes through the center of the tank parallel to the direction of gravity after fluctuation. FIG. 3 shows the time transition of the X and Z coordinates at a point of ψ = 15 degrees on the contact line between the liquid level and the tank wall surface. This point converges near the intersection of the tank wall surface with the Z-axis, and the tank wall surface is almost perpendicular to the Z-axis in this vicinity, so it turns out that the vibration around the final value of the Z coordinate at this point is very small. did.
1 タンク
2 液体
3 静的平衡液面
4 接触交線
1
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