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es240项目:在圆柱形罐中晃动液体
星期二，2008-11-11 23:39 -Pawel Zimoch
虽然这是一门固体力学的课程，但我选择了一个专注于流体动力学的项目。我这样做是因为我认为这个项目在有限元分析和一般力学方面很有教育意义。
项目动机:去年夏天，当我在办公室工作时，有一天我手里拿着一杯咖啡四处走动。我注意到，由于我的手在颤抖，杯子里液体的振动幅度明显取决于我走得有多快。不幸的是，共振频率似乎与我的步行速度相同，为了避免把咖啡洒出来，我要么非常小心(手保持不动)，要么走得更快或更慢。我开始思考是否有另一种方法可以降低液体的振动幅度。
项目描述:我将研究圆柱形罐中液体的晃动。我将集中讨论由于作用在坦克上的谐波力所引起的振动的模态和谐波频率。我将研究对以下力的反应:水平的，圆形的，水平的，垂直的，也许是这些力的组合。我还将研究通过简单改变坦克的几何形状来降低振动振幅的可能性，例如使用各种形状的挡板。
FEM贡献:解决这个问题所涉及的方程是非线性偏微分方程，因此很难得到解析解。当系统的圆柱对称被添加一个额外的几何特征(例如挡板)打断时，问题的复杂性显著增加- FEM成为解决问题的唯一合理，当然也是最简单和最快的方法。
到目前为止对这个问题的研究:这个问题并不新奇——它已经被彻底研究过了，因为它在海上结构和运输罐的设计中有多种重要的应用，例如液化天然气。我选择这个问题是因为我相信这个作业的目的不是要创造什么新奇的东西，而是要深入了解一个物理现象。
关于这一主题发表的大量期刊文章之一是:
[1]刘东明林鹏志。“容器中三维液体晃动的数值研究”。计算物理杂志。第227卷，8(2008年4月)，第3921-3939页。
注意:在写报告的时候，我的工作时间有限，不幸的是，我没有时间对报告进行全面校对。因此，可能会出现多种拼写、语法和其他错误。我会尽快上传修改后的版本。然而，基本内容不太可能改变。
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评论
为什么人类发明了旅行杯?
帕维尔,
我也经常把咖啡洒出来。
这是一个有趣的话题，对机械工程的许多领域都相当重要。剧烈晃动对车辆动力学尤为重要，它能从根本上改变车辆在动态环境下的性能包络。
我在谷歌学者网站上找到了一篇有趣的文章，讨论了地震激发的晃动。为同时处理多个强迫函数提供了很好的参考;下面有链接。
汤姆
http://doi.wiley.com/10.1002/ (SICI) 1096 - 9845 (199607) 25:7 % 3 c653:: AID-EQE513 % 3 e3.0.co; 2 h
“内容火爆”
热咖啡是一个严重的问题，在合法性方面有很多工作要做
http://64.233.169.132/search?q=cache:GbYEBcPI-x0J:www.okbar.org/public/judges/mcdonaldsoutline.pdf+warning+contents+hot+coffee&hl=en&ct=clnk&cd=4&gl=us
和设计
http://www.gizmodo.com.au/2007/06/because_contents_are_hot_warni.html
实际上，我非常认真地发现这个话题(液体的晃动)很有趣，因为我在流体力学入门课上做了一个关于部分装满的牛奶罐车的问题。您可能需要考虑的一件事是ABAQUS将如何处理这个问题。我查阅了文档，最初发现在ABAQUS中可能无法解决这个问题。如果你查看ABAQUS分析用户手册中的ABAQUS 6.8文档中的分析技术和第11.5.1节，你会发现在ABAQUS中建模充满流体的空腔是非常容易的。然而，它在本节中提到，用于这样做的技术不能扩展到一个部分装满的容器;它甚至直接说，这不能适用于晃动。然而，经过进一步的研究，我发现在13.1.1节中欧拉方法可以有效地处理液体晃动。所以，这对你的项目很重要。我还发现这一节没有包含在6.6的文档中，所以这个功能可能在该版本中不可用。您绝对应该研究一下这个问题，看看是否需要找到Version 6.8的访问权限。
http://www.hlrs.de/organization/aw/services/cae/app/abaqus/Documentation/docs/v6.8/books/usb/default.htm
另外，我找到了一篇你可能会感兴趣的文章。它给出了不同的数值技术(其中11种)的概述，这些技术被用来模拟船舶油箱中液体货物的晃动。这是链接
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V41-3XRG6T9-5&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=33b663f98abf83a045e45543293e0e1f
马特
项目评价
亲爱的帕维尔,
你的项目很巧妙，我也有过一些想法。我认为它更多的是关于流体力学而不是流体-固体相互作用，但是在杯子的低模量极限下模拟这个会很好，在那里流体中的一些惯性能量会转化为容器的弹性变形。
另一种方法是改变容器的几何形状，看看是否可以减轻波的形成。似乎咖啡杯的波长与其直径成正比;也许可以做一个类似苏打水瓶的东西，有一个窄的顶部，就可以停止晃动。或者，你也可以尝试通过一个倾斜的表面反射它们来转移波。
好运！
约翰