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MIXVAL - Mixer Simulation und Validation

In Passagierflugzeugen erfolgt die Vermischung bzw. Verteilung der feuchten Luftströme aus der Kabine und aus den Triebwerken ins Cockpit und die Passagierkabine sowie zu Elektronikbauteilen an einer zentralen Stelle des Klimatisierungssystems, dem Mixer. Bisher können die daraus resultierenden komplexen Strömungs-, und Wärmeübertragungsvorgänge sowie die Eisbildung und Anlagerung noch nicht genügend genau vorausberechnet werden. Daher ist die Entwicklung einer Methode zur Simulation der physikalischen Abläufe im Mixer das Ziel dieses Projektes.

Kurzbeschreibung

Ausgangspunkt / Motivation

In der Entwicklung von Passagierflugzeugen hat sich neben den experimentellen Methoden auch die Simulation für viele Problemstellungen etablieren können. Dazu zählen unter anderem Strukturberechnungen mittels FEM und Strömungsanalysen mittels CFD.

Die Vorteile der Simulation sind unbestritten und bestehen hauptsächlich darin, dass sie im Produktentwicklungsprozess schon in einer sehr frühen Phase eingesetzt werden kann, noch bevor Bauteile als Hardware vorliegen. Weiters liegen gegenüber Experimenten üblicherweise wesentlich detailliertere Ergebnisse vor, die eine geschlossene Interpretation der physikalischen Vorgänge erlaubt. Damit kann kostengünstig ein technisches und ökologisches und Optimum gefunden werden.

Einige Vorgänge, die im Betrieb von Flugzeugen auftreten, sind von einem Komplexitätsgrad, dass sie bisher noch nicht zuverlässig vorausberechnet werden können. Dazu zählen die Strömung und der Wärmeübergang in den Klimatisierungssystemen. Selbstverständlich ist, dass das Klimatisierungssystem desto energiesparender arbeiten kann, je besser die Auslegung und Detailkonstruktion ist.

Ziele

  • Steigerung der Klimatisierungseffizienz in Großraumpassagierflugzeugen
  • Untersuchung der Innenaerodynamikvereisung von Klimatisierungskomponenten
  • Durchführung von CFD Simulationen
  • Durchführung experimenteller Untersuchungen

Inhalt

Im aktuellen Projekt wird die Entwicklung einer Methode zur Simulation der physikalischen Abläufe im Mixer angestrebt. Dazu werden detaillierte Messungen mit optischen Methoden an einem eigens für das Projekt gebauten generischen Mixer ausgeführt. Die experimentellen Daten werden in einer Datenbank für die Validierung der Simulation bereitgestellt.

Ergänzt wird diese Datenbank durch Messergebnisse aus einem tatsächlichen Mixer. Als Resultat soll eine validierte Berechnungsmethode für die Simulation der Vorgänge im Mixer zur Verfügung stehen. Mixer können damit für eine vorgegebene Performance optimiert werden, Gewicht und der Energiebedarf können gesenkt werden.

Methodik / Vorgehensweise

Ziel des vorliegend vorgeschlagenen Projektes ist es, eine CFD-Simulationsmethode zu entwickeln, die geeignet ist, im Produktentwicklungsprozess für Mixer eingesetzt zu werden. Dazu müssen die Struktur und Dichteverteilung von Berechnungsnetzen, die Grenzschichtbehandlung (Wandfunktionen), die Auftriebsterme in der Impulsgleichung, die Formen der Energiegleichung, numerische Parameter, und insbesondere die Turbulenzmodelle untersucht und festgelegt werden.

Weiters sind die Modelle für Eisbildung und –anlagerung, die im Projekt Mo.v.E (Modellierung von Eisbildung in der Flugzeuginnenaerodynamik) generiert und eingesetzt werden, weiter zu entwickeln.

In der Turbulenzmodellierung stehen grundsätzlich drei Zugänge zur Auswahl:

  • RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes),
  • LES (Large Eddy Simulation), und
  • DES (Detached Eddy Simulation).

Im Projekt Mo.v.E. wurden nach einjähriger Laufzeit vier Modelle aus der Literatur als jene ausgewählt, die am meisten Potential für Weiterentwicklungen im 2. (abschließenden) Jahr des Projekts in Bezug auf Eisbildung und – wachstum bieten. Das in Mo.v.E entwickelte Modell für das Eiswachstum wird auch im Mixer sehr gut anwendbar sein.

Ergebnisse zu Projektende

Zu den wichtigsten Innovationen des Projektes gehört die Überführung von akademischen Methoden in die industrielle Praxis sowie die Vervollständigung der Simulationskette durch die Weiterentwicklung der Eisbildungs- und Anlagerungsmodelle.

Projektbeteiligte

Förderprogramm: TAKE OFF