基于OpenFOAM的充液航天器刚-液耦合软件开发

【作者】 宋志军； 陈宗宇； 吕敬； 王天舒；

【机构】 北京航空航天大学航空科学与工程学院； 清华大学航天航空学院；

【摘要】 针对充液航天器姿态控制系统的设计需要,利用开源软件OpenFOAM搭建非惯性系下的晃动力计算模块和航天器的姿态动力学求解模块,并基于这两个模块搭建充液航天器刚-液耦合计算的仿真软件。首先,在动边界问题中,从惯性系下的N-S方程出发,运用矢量求导的方法推导出非惯性系下的N-S方程,避免了传统CFD软件中使用动网格方法处理动边界问题时所带来的大量网格转换计算,提高了软件计算效率。由于在航天器运动过程中,其贮箱内液体流场始终处于瞬态变化中,故采用PIMPLE算法搭建晃动力求解模块,采用变步长龙格库塔法搭建姿态运动模块。接着,将姿态求解模块解出的姿态数据通过传参的方式传递给晃动力求解模块,再由晃动力求解模块返回晃动力和力矩作用于姿态求解模块,从而搭建了航天器的刚-液耦合仿真框架,实现了航天器的基于CFD方法的刚-液耦合仿真。然后,通过数值算例研究发现,非惯性系相对于动网格提高了一定效率且随着网格数量的增加非惯性系的优势更加明显。最后分别与商业软件和等效力学模型进行对比,验证了本软件在处理航天器刚-液耦合系统动力学问题上不仅适用于常重情况,而且零重情况下也能满足要求。更多还原