大綱背景與需求分析基于FLOW-3D的晃蕩研究分析方案簡介晃蕩應(yīng)用實例價值與優(yōu)勢小結(jié)需求分析燃油重量特性的改變是飛機重量特性改變的主要因素之一在不同的飛行狀態(tài)下，飛機重量特性（重心、重量、轉(zhuǎn)動慣量）會隨著燃油的消耗、燃油的晃動、武器的發(fā)射等因素而改變。燃油重量特性影響飛機的安全性、飛行品質(zhì)、飛機性能和經(jīng)濟(jì)性等。燃油晃動劇烈，全機重量特性可能超出設(shè)計范圍。優(yōu)化隔板、布局設(shè)計。油箱劇烈晃蕩對油箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊及噪聲，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)破壞對于油液晃蕩是否會引起飛機失穩(wěn)、是否對油箱壁面造成破壞等一系列問題，在前期開展仿真分析進(jìn)行預(yù)測尤為重要仿真分析難點油箱晃蕩分析難點油箱內(nèi)內(nèi)存在液體和氣體兩相流體，即存在自由液面。飛機飛行姿勢改變會引起箱內(nèi)油液的大幅晃蕩，燃油會出現(xiàn)翻滾、表面破碎等非線性晃蕩油箱內(nèi)存在許多薄板結(jié)構(gòu)，薄板厚度與容器整體長寬尺寸相差較大，將造成整體網(wǎng)格數(shù)量非常龐大。某些部件為6自由度運動，對于復(fù)雜的6自由度運動模擬難以通過動網(wǎng)格進(jìn)行描述。飛機變速或調(diào)姿時具有較大的加速度，幾秒內(nèi)可移動數(shù)十米甚至數(shù)百米；模擬液艙晃蕩所需計算域是實際距離的10倍以上，將極大增加計算量。因晃動產(chǎn)生的燃料中電荷的分布和傳遞,這可能會導(dǎo)致燃料自由表面上燃料蒸氣混合物具有電勢能成為導(dǎo)電體?；问幏抡娼Y(jié)束后，需要能夠方便的提取相關(guān)流體仿真結(jié)果作為結(jié)構(gòu)強度分析和噪聲分析的輸入?yún)?shù)。大綱背景與需求分析基于FLOW-3D的晃蕩研究分析方案簡介晃蕩應(yīng)用實例價值與優(yōu)勢小結(jié)油箱晃蕩分析流程晃蕩分析功能模塊要求解決飛機油箱晃蕩的三維CFD仿真分析難點，需采用以下模型：真正的自由液面追蹤模型，即TruVOF模型：可以精確追蹤自由液面位置。多網(wǎng)格塊模型：可實現(xiàn)局部加密網(wǎng)格，妥善解決計算域內(nèi)存在細(xì)長、細(xì)小結(jié)構(gòu)問題。通用運動物體模型，允許計算域中存在多個運動物體，每個運動物體都可以有獨立的6自由度運動。無需額外編程即可方便地描述物體的6自由度運動。非慣性坐標(biāo)系模型：可使計算域大大降低，無需動網(wǎng)格技術(shù)?；问幖罴虞d十分便捷，無需編程或二次開發(fā)。帶電流動模型：可模擬晃動產(chǎn)生的燃料中電荷的分布和傳遞。與結(jié)構(gòu)分析軟件、聲學(xué)分析軟件的接口，便于開展后續(xù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及聲學(xué)分析。專業(yè)的后處理模塊，強大的后處理功能，便于展示及分析相關(guān)晃蕩分析結(jié)果。晃蕩分析工具軟件Flow-3D簡介DrC.W.HirtDr.C.W.Hirt是自由液面追蹤TruVOF(Volume-of-Fluid)方法的開發(fā)者，F(xiàn)low-3D就是充分利用TruVOF來開發(fā)。Flow-3D軟件研發(fā)從開始到應(yīng)用于不同科學(xué)和工程領(lǐng)域的過程中，一直把重點放在便捷性、適用性上。目前，公司擁有遍及全球的商業(yè)和政府用戶，公司的科學(xué)家和高級工程師不斷革新和完善FLOW-3D?的強大功能，同時他們也為得到廣大用戶的大力支持而感到無比自豪。30多年來，F(xiàn)LOW-3D?在CFD技術(shù)和服務(wù)支持方面占有領(lǐng)先地位。自由液面的定義液/氣交界面氣體的壓力梯度很小液體的密度比非常大1975年，Dr.Hirt&Dr.Nichols發(fā)表VOF技術(shù)，隨后進(jìn)行了改進(jìn)，稱之為TruVOF技術(shù)定義流體的液面動作狀態(tài)追蹤流體液面流動時的變化定義流體流動時的邊界條件設(shè)定TruVOF自由液面FLOW-3D使用的網(wǎng)格為規(guī)則的矩形網(wǎng)格該網(wǎng)格具有彈性變形、貼體網(wǎng)格特性；網(wǎng)格或幾何體可以隨意更改而不相互影響。優(yōu)勢：可以快速生成網(wǎng)格，而不需要考慮幾何形狀可以按照用戶要求（如：改善精度、更小的計算內(nèi)存等）隨意更改網(wǎng)格尺寸、放置位置及數(shù)量。網(wǎng)格生成與幾何分離的自由網(wǎng)格矩形網(wǎng)格FLOW-3D的多塊網(wǎng)格技術(shù)，具有優(yōu)良的可塑性和有效性優(yōu)勢：在任意關(guān)注區(qū)添加網(wǎng)格塊，即可實現(xiàn)網(wǎng)格加密，這對幾何尺度變化較大的問題非常有用；在任意位置添加網(wǎng)格塊并把兩個以上網(wǎng)格塊相互“連接”，既可以建立流體計算域。這對于“細(xì)長”問題非常有用高效的多塊網(wǎng)格FLOW-3D采用獨特的FAVOR（FractionalAreaVolumeObstacleRepresentation）技術(shù)，來定義矩形網(wǎng)格內(nèi)的幾何區(qū)域。FAVOR僅需三個網(wǎng)格就可以描述得很精確，但是傳統(tǒng)的FDM技術(shù)必須以較多的網(wǎng)格數(shù)量才能夠達(dá)到相同的要求。優(yōu)勢容易生成網(wǎng)格不受幾何結(jié)構(gòu)變化限制FAVOR可以準(zhǔn)確表示幾何形狀FAVOR傳統(tǒng)FDMFLOW-3D中可以描述流體與固體相互作用產(chǎn)生的復(fù)雜運動方式，包括主動（固體對流體的作用，如：攪拌、海綿出水）和從動（流體對固體的作用，如：沖刷、停泊）運動物體模型攪拌沖刷海綿出水停泊非慣性坐標(biāo)系適于飛機油箱自由液面動態(tài)特性仿真，通過參考系的變換使計算域不受限制。為了模擬帶電粒子的運動、粒子和液體的介電泳動（dielectrophoresis）、電滲透等物理過程，需要考慮到流體中的電場分布，F(xiàn)LOW-3D軟件的介電流動模型（Eletro-mechanicsmodel）可以進(jìn)行流場電荷分布的模擬。介電流動模型可以計算帶電粒子的庫侖力、電滲透效應(yīng)、電荷分布等帶電流動問題，同時還可以考慮電場引起的熱效應(yīng)。介電流動模型FLOW-3D可將流體流動和固體動力學(xué)耦合求解。FLOW-3D的流固耦合模型是利用有限元素法來計算流體域固體交互過程中，固體受到周圍流體壓力、溫度或外在條件所造成的應(yīng)力分布與線性變形。此外，F(xiàn)LOW-3D具備與有限元軟件的耦合接口。目前可以與ABQUS、Nastran、和Marc耦合，做結(jié)構(gòu)應(yīng)力或熱應(yīng)力分析；具備與聲學(xué)軟件的接口，可開展后續(xù)聲學(xué)模擬。流固耦合及聲學(xué)計算大綱背景與需求分析基于FLOW-3D的晃蕩研究分析方案簡介晃蕩應(yīng)用實例價值與優(yōu)勢小結(jié)潛在的晃動問題

戰(zhàn)斗機的重心快速運動油箱結(jié)構(gòu)的完整性評估隔板減少晃動的功效晃動會產(chǎn)生足夠的電荷，飛機油箱加油時可能導(dǎo)致火花?KeithRobinson戰(zhàn)斗機外掛油箱晃動問題探討案例1：飛機油箱晃動模擬FLOW-3D可以探討不同擋板位置及形狀對晃蕩的影響。

油箱擋板案例1：飛機油箱晃動模擬（1）油箱內(nèi)某監(jiān)測點處的壓力隨時間的變化（2）油箱內(nèi)最大壓力隨時間的變化案例1：飛機油箱晃動模擬油箱內(nèi)速度場隨時間變化案例1：飛機油箱晃動模擬FLOW-3D可以模擬不同軸向過載、俯仰角、擋板結(jié)構(gòu)、擋板安裝位置、初始油量等因素對燃\滑油晃蕩的影響。FLOW-3D可以獲取晃蕩引起的燃\滑油質(zhì)心變化。FLOW-3D模擬可掌握每個艙室燃料晃動情況，留在每個艙室燃油的體積及油箱的晃動沖擊力，以評估艙體材料和結(jié)構(gòu)的完整性。FLOW-3D模擬可了解因晃動產(chǎn)生的燃料中電荷的分布和傳遞，這可能會導(dǎo)致自由表面上燃料蒸汽混合物具有電勢能成為導(dǎo)電體。FLOW-3D模擬可了解燃料電荷分布以確定燃料箱上放電裝置的位置。

案例1：飛機油箱晃動模擬重量特性（重心、重量、轉(zhuǎn)動慣量）是飛機研制中的一個重要參數(shù)，決定飛機的基本尺寸，影響著飛機的安全性、飛行品質(zhì)、飛機性能和成本費用等。關(guān)注點：燃油液面波動狀態(tài)、燃油X\Y\Z三個方向重心\重量\轉(zhuǎn)動慣量波動曲線。案例2：飛機燃油重量特性預(yù)測輸入?yún)?shù)：晃蕩激勵初始滑油量關(guān)注點：滑油波動狀態(tài)液位變化案例3：飛機滑油箱供油失效模擬利用FLOW-3D的非慣性參照系模型，對機翼內(nèi)燃油在飛機經(jīng)過偏航，俯仰和側(cè)傾加速過程中產(chǎn)生晃動問題進(jìn)行數(shù)值模擬。案例4：飛機機翼油箱晃蕩技術(shù)路線：為了分析和降低燃油箱晃動噪聲，使用FLOW-3D與ACTRAN進(jìn)行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)快速分析燃油晃動噪聲問題。案例5：汽車油箱晃動分析CFD分析Solver：FLOW-3DFueltank：Rigid輸出流體壓力staticPressureiCFD分析Solver：ACTRAN-iCFDFueltank：Elastic油箱內(nèi)表面壓力脈動PressureSurfaceAcoustic分析Solver：ACTRANUsingIFEM輻射噪聲分析SPL、Map案例5：汽車油箱晃動分析油箱運動加速度曲線油液初始高度案例5：汽車油箱晃動分析不同時刻液面情況T=0.11sT=0.31sT=0.23sT=0.16sT=0.13sT=0.19s案例5：汽車油箱晃動分析0.31s時刻壓力表面提取示意案例6：晃蕩結(jié)構(gòu)強度校核對于充液容器內(nèi)液體的晃動研究，僅僅了解液體的晃動特性及其規(guī)律是不夠的，還需掌握液體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。液體晃動過程中，液體與結(jié)構(gòu)之間可能會發(fā)生耦合作用，該耦合作用對載液系統(tǒng)的力學(xué)特性具有重要的影響。當(dāng)晃動較為劇烈時，在液體晃動載荷作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形或運動，甚至破壞；因此晃動計算結(jié)束后需對結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核?；蝿佑嬎阃瓿珊螅瑢⒉煌瑫r刻的容器內(nèi)表面壓力分布提取出來，傳給有限元分析軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度校核。案例6：晃蕩結(jié)構(gòu)強度校核某水箱晃動分析及結(jié)構(gòu)強度校核箱體內(nèi)表面壓力分布箱體應(yīng)力分布箱體變形分布案例7：液態(tài)氧燃料貯箱晃蕩動畫說明在液態(tài)氧燃料箱內(nèi)無約束晃動的危害性。模擬顯示液氧在0.1g微重力和3Hz頻率激勵下儲箱無約束晃動行為。儲箱是一個10米長+直徑為5米形狀。FLOW-3D獨有的TruVOF技術(shù)可以準(zhǔn)確捕捉瞬態(tài)行為。顏色標(biāo)尺表示每個控制體積的速度大小。自由液面結(jié)果(充填率=10%,初傾角=20°)t=0st=20st=40st=60st=80sH2O2在5英尺直徑的隔層艙中的低重力晃動。模擬各種任務(wù)方案以找出最差狀況及最適設(shè)計。及時的噴射推進(jìn)決定于引擎重新啟動前適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)燃料設(shè)定。案例8：波音X-37航天機H2O2晃蕩案例9：微重力狀態(tài)貯箱燃料管理某航天器燃料貯箱微重力狀態(tài)下的燃料管理大綱背景與需求分析基于FLOW-3D的晃蕩研究分析方案簡介晃蕩應(yīng)用實例價值與優(yōu)勢小結(jié)采用FLOW-3D軟件可以方便準(zhǔn)確的模擬飛機油箱內(nèi)油液晃蕩的問題：FLOW-3D采用真正的自由液面追蹤技術(shù)，即TruVOF技術(shù)，使得自由液面追蹤比傳統(tǒng)VOF方法更加精確。FLOW-3D采用FAVOR網(wǎng)格技術(shù)，同樣的幾何造型FAVOR僅需少量網(wǎng)格就