Моделирование эффекта центрирования сферического гидродинамического подвеса | Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2020. № 52. DOI: 10.17223/19988605/52/2

Моделирование эффекта центрирования сферического гидродинамического подвеса

Высокоперегрузочные поплавковые гироскопы являются широко используемыми элементами систем управления подвижными объектами. В свою очередь, сферический гидродинамический подвес является широко используемым чувствительным элементом ряда поплавковых гироскопов. В случае, когда децентрирующая сила ортогональна оси чувствительности прибора, на основе методов асимптотического интегрирования показано быстрое центрирование подвеса при больших значениях колебательного числа Рейнольдса. Математическое моделирование изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости во вращающемся поддерживающем слое выполнено на основе укороченных уравнений Навье-Стокса. Показано, что с точностью до постоянного сомножителя асимптотика зависимости относительного эксцентриситета от колебательного числа Рейнольдса аналогична результатам, полученным ранее для цилиндрического гидродинамического подвеса. Однако асимптотика аналогичной зависимости для безразмерного скольжения внутренней сферы характеризуется на порядок меньшей величиной.

Modeling the effect of centering of a spherical hydrodynamic suspension.pdf High-load float gyroscopes are widely used elements of the control system of moving objects. In turn, spherical hydrodynamic suspension is a sensitive element of a number of float gyroscopes [1]. The stability on the mobile equilibrium curve of a weakly loaded spherical suspension at low oscillatory Reynolds numbers was studied earlier [1]. Cylindrical hydrodynamic suspension is quickly centered with increasing oscillatory Reynolds number [2]. Experimental data [1] confirm this effect for spherical hydrodynamic suspension. The influence of Coriolis forces of inertia on the dynamics of viscous incompressible fluid increases significantly with increasing oscillatory Reynolds numbers [3-9]. Nonlinear effects can destabilize the Couette flow in the layers between rotating spheres [10-14], but this is true when their angular velocities are significantly different. The aim of this work is to simulate the centering effect of a spherical hydrodynamic suspension based on the asymptotic integration of the reduced Navier-Stokes equations for the isothermal flow of a viscous incompressible fluid in a rotating support layer. 1. Mathematical model We assume that the sensitivity axis coincides with the Oz axis of the Oxyz coordinate system, the origin of which is in the center of mass of the inner sphere, and all the decentering forces lie in the Oxy plane. In disregard of some terms of the order of the square of the small relative thickness of the spherical layer (which is justified in [2]) and the small compressibility of the liquid, the equations of equilibrium of the suspension in dimensionless variables follow from [15] and take the form 2ir тн(Р2 / P “Pig- a0) + I fo sin МОГ dLP^a ifl 1 (dvv / dx\\ e - p x-0 Ф 1 2 e ) = 0, x=0 r> 1 I Tt[3fi + C sin2 T>d$/2ъ (dv / dx)\\ / h = 0, h = (3 2[[(1 + P)2 + (32((u • e,r)2 - u2)]1/2 - 1] - u Іж=0 v = flv e + ih.e.. + v e , 1 Г Г Tt it tp tp? v = x(l + (3hxy\\ ■ V(s)/i - (1 + I3hxy2fj Vм ■ (h(l + (3hx)v)dx, 13 D.K. Andreichenko, K.P. Andreichenko, D. V. Melnichuk v\\ = 0, = 0, v\\ = -Qsind, v\\ = sind(u эіпф - и совф), ' ’ ^ Іш-0 ’ 4= Іж=0 Пж = 1 Х х Г u YП - 2w„ cos d - 2(3w sin d + F [v] = 0, _1 дРІ=о ! 1 1 + |3/іж д$ a 1 1 9pLo , 1 1 + [3/іж sin d Эф т Іш-0 dv,, --- + 2v cosd + FJv =0, Эф u 1)L J ’ «J = Pcos d(u simp -и совф), ѵ =Р(и эіпф + м совф), Wn =-2ѵ sin d + ѵ: + ѵ2, (1) 1 ' х г ѵ г п ФІ._1 ' ѵ ѵ т х тп 0 ф ^ ф7Ѵ/ V(s) • Ф(0)[ѵ] = 0, Ф(0)М = Чоі1 + + ѵ е )dx - -(! + р /іж)2Ц(0) х и, FM = f h dv P Эж 1 + р/іж К) v(s) hf WQdx о - xWV(s)/i ~ Pvv - (1 - р/іж) [i V(ѵ^.у(х: d) + (u0y - іи0іЕ)е_‘ч’г;Цір(а:, d). dv dx _J._d_ sind 5d (40) sin d), (sin d (vf / = 0, - i + 2vf cos d = 0, (8) dvj+) dx 1+)| =fl+) =0, г>1+)I =^+) =0. r \\x~0 ^ \\x - 0 'P \\x=0 Л \\x-1 -P \\x-i Subject to (7), the conditions (5) take the form Kj, +4J/07tsin2 V+)cK> = I (p2 / P - !)(*(! + %)-%x), 2^n0£sin2 fdf(dv^ / dxyo =0.(10) In particular, solving the linear boundary value problem (8) and using (10), we find ( ту 04 (d) = 0(1 /-v/a), a ->• oo, d ^ it / 3,2"іт / 3; 04 (тг / 3) = 0(1), 04 (2тт / 3) = 0(1), a ->• oo. Requirements for the absence of singularities of the solution of equation (13) in the poles of the sphere and anti-symmetry with respect to the equator d = it / 2 lead to boundary conditions - (гА+) dd ' 0 = 0, »(+) = o. (14) When a ->■ oo, the asymptotic integration of the linear boundary value problem (13), (14) can be performed on the basis of the successive approximations method _d_ dd sm3d 0-Ч0-1 ^(4+)) d k+1 03 -04(t>((+)) , -U+A =o,U+A ' 13 /k dd'"9 'HI,, n ' l) >k+1 A = ,«=°. 0,1,2,..., (,/;>) =0 = 0, (15) On the first iteration we assume Ѳ,,1 + Ѳ tx -4, (-)1 - (-) tx 8cosd, and we find (see (10)) ”*) = - d cos fo ^ S3n2 о -> oo, 10 ’ 0x 9 On the second iteration, we find U0x = -? (p2 / P - iKr, (p2 / P - !)(! + %)• fit in ■ 2 Cl (+) 3 • , n / Г П 1971п/з+4061 . . 1971л/з-4061 L ddsm d»v 7 = -- * + G /Vo, 6 =-r- + *-1--, Jo F 10 p / 4 > p 17160n/2 17160л/2 CT -1 (50 . The coefficients ux, , vr, /у . / ■. . j>] of asymptotic series (4) are the solution of the problem /0 dtp £ sin dddper = 0, /Q dtp £ sin2 ddd (dv.^ / dx + (u0 • ег)дѵщ / дх)\\^ = О, дѵг /дх = - V(s) ■ ѵ + (u0 • er)V(s) • v0 - ®[(u0 • e,&)dv{>o / dx + (u0 • е^)дѵщ / dx], v = т>ае,ѳ + v e v0 = uf) е,ѳ + w e p = p(d,ip), V(s) • - (u0 • er)(v0) - ІЦ(0) X u4 = 0, (16) (17) (18) (19) "фсфі vo (4’0)) = sindIm(v(+)), + (24) f$(x, d) = -2a 1 sin d Im d2v^ / dx2 - 2 Re[(v£ ^ + - x sin d)dv^ / dx] - 2 Re(u,[) ^dv^ / dO) + + 2sin 1 d Im(u^ V^) + 2|dh)| ctgd, / (x,d) = -2ctgdRe(u,^u^)- - 2a 1 sin d Im d2v^ / dx2 - 2 Re[(v£ ^ i ж sin d)3?A+) / Зж] - 2 Re(v,j> ^ЗгА4^ / 3d). 1 2 / ф / V t) ^ As a result of the solution (24) we find (1|)+->]^, Е3(ж, d) = і(Е5(ж, cos d) + Е5(ж, - cos d)), V4(x1 d) = -ji(V5(x, cos d) - V5(x, - cos d)), V5(x, z) = sh(xsj2ioz) / sh yj2ioz. The functions V (1 - ж, 0) - К, . (ж, d) are odd in the variable x around the point ж = d . We find (dv/ dx) = - 2 а Re p(-+-> + sin d Im (Зг/4--* / dx) 2 (25) (26) (27) T = (p2 / p - 1ГІХ^-2. X = const = 0(1), а -i oo . (28) From (4), (11), (17), (27) and (28) we find the asymptotic behavior of the relative eccentricity u and slip Q as a function of the large oscillatory Reynolds numbers x = 0 - а sin 2 d Re 3[sin2 d f* dxv^ V4"-*] / 3d. From (11), (23) and (25) follows 2- + ... = I o(u2x + U2p )£ sin2 ddd Re p{+), а -► oo . From (18) and (26) we find О = п {и2 +V2.), C0 = - Re О = 7(1971^+4061) = о 404269 а -> сю . 1 ()\\ 0ж 1 0і//’ Q 1« 7) p\\x=0 = (U0y + 4je*V+)(^) + Ку - ІѢхК^Р^К®): -‘О у l,u'0x г/+) sin2 dp^ + - ^ dp G dx vr,i)Jx: d, ip) = К + iUox)e^vty (x, d) + («„ - iu0x)(Г^гН (x, d), ( )H = ( where do the boundary value problem with respect to p^^d), b, 3) come from Ф dv(+) (U0y+m0x)fM о (~aox +*(! + %))> (32) = -(1 + (Зж) 2 sin 1 d[S(sin dff (1 + (Зж)v^dx) / - 2v)}1 cos d - 2(3wy ■' sin d = 0, P \\x~0 “r b=0 i'> h=l 2 " > |ж=і Wr+)L=1 = -ysinO; sm-1 d[5(sind^+)))/5d + *(^+))] = y(l + (3)2 sind. We assume that (28) is true. When a »1, we look for a solution of (33) in the form V o,ip = vl+f fx, d) + o(l) in the area away from borders ж = 0 and ж = 1; 45 = 45%)(n^)+o(i), 4+) = oi1), ь = X'J®near ж = о; 45 = 45%)(^ + °(1)’ 4+) = Sin d + o(l), с = (1 - x)sfo near ж = 1. Boundary conditions are set for functions f and v f'f1. boundary conditions for v^e) are obtained from the conditions of matching asymptotic representations (34). Similarly (12), matching is possible everywhere except for the narrow neighborhoods of the support layer corresponding to d = тт / 3 and d = 2tt / 3 . These linear boundary value problems follow from (34) and (33) 18 Modeling the effect of centering of a spherical hydrodynamic suspension = -(1 + (Зж) 2 sin 1 TL>[f?(sin d (1 + $x)vj^dx) / [+,е) sin d + 2(3(1 + (3 x^if* vj’e)dx = 0, - (1 + (3x)~1dp('+') / df - + 2vJ,e') cos d + 2(3(1 + (3x)_19(sin d v^dx) / L_r3e 2 УѴ$ la;=o ^ Ф L_ U> (37) Ф 2 ^ "Ф \\x=0 X \\x=0 From (37) and (32) follows h=07 \\x=0 (U + iu )J7 df sin2 dp(+) = I (p / P - 1) (-a + i(l + a)) +0(1/Jo), о > 1. (38) Oy CU'JO r 3 Vr2 / г Ог V Oy'' 1 _ Since 3 «с 1, a further solution (35) is sufficient to hold up to Of S2), Up to small order 0(3), x'fJ> and v '1 are independent of x , and v- 1} is a linear function of x . That is ((3r/+’e)) = - i p sin d+о(з2), ^з(і+зжг1 /; vj^dx) = i 3 («■ From (39) and (35) we find dp- - i (ui+’e) \\ + 2 / v.(.+’e) \\ cos d + 8 - dd - ' \\ ^ , dd ,(+,d (39) i (vj’e) ^ + 2 ^+’e) ^ cos d + 3 sin d (vj’e) ^ + = 7T / 2 The solution of (41), (42) has the form (^+’e)) = -(?+Sp)cos^- From (43), (40), (38), (4) we find Jo sin2 ®dfp(+) = -г(А + Pi 3), (42) (43) 19 D.K. Andreichenko, K.P. Andreichenko, D. V. Melnichuk U0y; 0) ; (3)x,(l + %)u = u0a 2+о(ст 2), ct^oo, u0=(«0an _ 20 /-. 11 _ 20 /-. 11 u0x - 1^(1 yyP)X%r; u0y ~ ip (1 у Taking into account (4) and (29) we can assume Q = О03ст-7/2+ст-4), o^oo. Conclusion Based on the methods of asymptotic integration in the case when the decentering force is orthogonal to the sensitivity axis, the fast centering of the spherical hydrodynamic suspension at large values of the oscillatory Reynolds number is shown. It is shown that, up to the constant factor, the asymptotics of the dependence of the relative eccentricity on the oscillatory Reynolds number is similar to the results obtained earlier for cylindrical hydrodynamic suspension. However, the asymptotics of a similar dependence for the dimensionless sliding of the inner sphere is characterized by an order of magnitude smaller.

Ключевые слова

asymptotic integration, spherical hydrodynamic suspension, асимптотическое интегрирование, сферический гидродинамический подвес

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Андрейченко Дмитрий КонстантиновичНациональный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевскогопрофессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой математического обеспечения вычислительных комплексов и информационных системandreichenkodk@gmail.com
Андрейченко Константин ПетровичСаратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.Апрофессор, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной математики и системного анализаkp_andreichenko@renet.ru
Мельничук Дмитрий ВадимовичНациональный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевскогоаспирант кафедры математического обеспечения вычислительных комплексов и информационных системmelnichukdv@sgu.ru 21
Всего: 3

Ссылки

Andreichenko, K.P. (1987) Dinamika poplavkovykh giroskopov i akselerometrov [Dynamics of float gyroscopes and accelerome ters]. Mocsow: Mashinostroenie.
Andreichenko, D.K. & Andreichenko, K.P. (2009) On the theory of stability of a cylindrical hydrodynamic suspension. Fluid Dynamics. 44(1). pp. 10-21. DOI: https://doi.org/10.1134/S001546280
Sauret, A. & Le Dizes, S. (2013) Libration-induced mean flow in a spherical shell. Journal ofFluid Mechanics. 718. pp. 181-209. DOI: 10.1017/jfm.2012.604
Rietord, M. & Valdettaro, L. (2018) Axisymmetric inertial modes in a spherical shell at low Ekman numbers. Journal of Fluid Mechanics. 844. pp. 597-634. DOI: 10.1017/jfm.2018.201
Bank, A., Triana, S.A., Hoff, M. & Wicht, J. (2018) Triadic resonances in the wide-gap spherical Couette system. Journal of Fluid Mechanics. 843. pp. 211-243. DOI: 10.1017/jfm.2018.138
Sauret, A., Cebron, D., Morize, C. & Le Bars, M. (2010) Experimental and numerical study of mean zonal flows generated by librations of a rotating spherical cavity. Journal ofFluid Mechanics. 662. pp. 260-268. DOI: 10.1017/S0022112010004052
Noir, J., Hemmerlin, F., Wicht, J., Baca, S.M. & Arnou, S.M. (2009) An experimental and numerical study of librationally driven flow in planetary cores and subsurface oceans. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 173. pp. 141-152. DOI: 10.1016/j.pepi.2008.11.012
Le Dizes, S. & Le Bars, M. (2017) Internal shear layer from liberating objects. Journal ofFluid Mechanics. 826. pp. 653-675.
Wu, K., Welfer, B.D. & Lopez, J.M. (2018) Librational forcing of a rapidly rotating fluid-filled cube. Journal of Fluid Mechanics. pp. 469-494. DOI: 10.1017/jfm.2018.157
Zhilenko, D.Yu. & Krivonosova, O.E. (2016) Enhancement of waves at rotational oscillations of a liquid. JETP Letters. 104(8). pp. 531-538. DOI: 10.1134/S0021364016200133
Zhilenko, D.Yu. & Krivonosova, O.E. (2015) Quasi-two-dimensional and three-dimensional turbulence in rotational spherical liquid layers. JETP Letters. 101(8). pp. 527-532. DOI: 10.7868/S0370274X15080044
Zhilenko, D.Yu. & Krivonosova, O.E. (2013) Transitions to chaos in the spherical Couette flow due to periodic variations in the rotation velocity of one of the boundaries. Fluid Dynamics. 48(4). pp. 452-460.
Zhilenko, D.Yu. & Krivonosova, O.E. (2011) Direct calculation of transition to one of two possible secondary flows in a wide spherical layer under the action of accelerated rotation of the inner sphere. Fluid Dynamics. 46(3). pp. 363-374. DOI: 10.1134/S0015462811030021
Zhilenko, D.Yu., Krivonosova, O.E. & Nikitin, N.V. (2008) On chaotic flow regimes in a rotating spherical layer. Technical Physics Letters. 34(12). pp. 1047-1049. DOI: 10.1134/S1063785008120171
Melnichuk, D.V., Andreichenko, D.K. & Andreichenko, K.P. (2018) [Refined mathematical model of a spherical hydrodynamic suspension]. Komp'yuternye nauki i informatsionnye tekhnologii [Computer Science and Informational Technology]. Proceedings of the International Conference]. Saratov. pp. 264-268.
 Моделирование эффекта центрирования сферического гидродинамического подвеса | Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2020. № 52. DOI: 10.17223/19988605/52/2

Моделирование эффекта центрирования сферического гидродинамического подвеса | Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2020. № 52. DOI: 10.17223/19988605/52/2