Energiesimulation in der Luftfahrt

XRG entwickelt Werkzeuge und Anwendungen zur Analyse und Optimierung komplexer thermodynamischer Systeme in der Luftfahrt.  Dazu gehören Analyse und dynamische Simulationen der Klimatisierungs- und Drucksysteme, Belüftung, Druckregelung, Heizung, Kühlung, Befeuchtung sowie Regelung und Kontrolle der Luftverteilung inklusive der Berücksichtigung der Luftqualität(z.B. Verunreinigungen, Rauch, Viren). 
Mit unseren Methoden kann das thermische Verhalten verschiedener Systeme abgebildet und untersucht werden. Dies umfasst beispielsweise die Temperatur- und Strömungsverteilung innerhalb des Druckrumpfes, beginnend beim ersten Entwurf über Prototypentests zukünftiger Kabinenarchitekturen bis hin zu bestehenden kundenspezifischen Systemlayouts.
Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit ist die Modellierung der Versorgung und des Thermomanagements neuer Antriebssysteme z.B. Brennstoffzellen. 
 

 

Zu unseren Simulationen und Modellierungen gehören:

  • Environmental Control System (ECS) Architekturen
  • Klimageräte (Pack)
  • Kabinenluftverteilung
  • Brennstoffzellensystem (FCS) inklusiver Regelung
  • Medienmodelle (Feuchte Luft-H2,-N2+O2)
  • Wasserstoffspeichertechnologien
  • Thermomanagement von Luftfahrtkomponenten und -systemen
  • Luft- und Feuchtetransport in Flugzeugkabinen und Isolierungen

Mit Hilfe dieser Modelle kann XRG verschiedenste Fragestellungen auf Komponentenebene bearbeiten, aber auch für die Interaktion ganzer Subsysteme (virtueller Demonstrator). Abgerundet wird das Angebot durch innovative Simulationsmethoden, Uncertainty Analyses, Surrogate Modeling, Reinforcement Learning.

In Kooperation mit namhaften Instituten und Unternehmen erforscht XRG verschiedene Projekte in der Luftfahrt.

Dazu gehören simulationsbasierte thermische Flugzeugentwürfe, die Entwicklung eines Modelica-basierten Multi-Physik-Kompartiment-Modells (EEBAY) sowie die Untersuchung von Modellreduktionstechniken für Surrogatmodelle und die Modellkopplung zu einem größeren Systemmodell (direkt Modelica und Co-Simulation).

In einem weiteren Projekt der Luftfahrt erforscht XRG Flugzeugkühlsysteme mit natürlicher Zirkulation. Dafür wurden innovative Modelica-Rohrmodelle für detaillierte Strömungsanalysen (Euler-Euler-Verfahren für Mehrphasenströmungen) entwickelt und neue Interpolationsmethoden untersucht, um die Robustheit der Simulation zu erhöhen und die Simulationszeit zu verkürzen.

Fallbeispiel 1 - Luftfeuchtigkeit im Kabinenrumpf

Die Luftfeuchtigkeit in Flugzeugen hat positive, aber auch negative Auswirkungen. Eine feuchtere Luft wirkt sich positiv auf den Komfort der Passagiere aus. Gleichzeitig erhöht sie die Kondensation oder das Gefrieren von Wasser auf den kalten Oberflächen und in der Isolierung. Daher wird eine höhere Luftfeuchtigkeit in der Regel vermieden. Das Kondensat erhöht das Gewicht des Flugzeugs (bis zu mehreren hundert Kilogramm bei großen Flugzeugen), verursacht Korrosion und bewegt sich unkontrolliert im Rumpf des Flugzeugs ("Regen im Flugzeug").

Das Projekt Mohicab wurde in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg und der AIRBUS Deutschland GmbH durchgeführt und hatte die Untersuchung verschiedener Isolationsschichten mittels numerischer Simulation zum Ziel. Der Beitrag von XRG bestand in der Entwicklung der Modellbibliothek MohicabLib: Diese detaillierte Isolationsmodell-Bibliothek (DIM) ermöglicht die Analyse von Wasserpfaden und Wasserspeicherung innerhalb von Isolationsschichten. Da diese Modelle auf physikalischen Gesetzen beruhen, zeigen sie direkt die Auswirkungen verschiedener Flugszenarien auf die Wasserspeicherung in den Isolierschichten der Kabinenwände. Seit seiner Erstellung wurde das DIM-Modell in mehreren Projekten, wie SINTEG I / II, INDIKAR und anderen gemeinsamen Projekten mit AIRBUS, erfolgreich angewendet und weiterentwickelt.

Fallbeispiel 2 – Innovative Gerätekühlung

NAKULEK steht für "NAturumlaufKUehlung für LEistungselektroniK". Im Rahmen dieses Projektes wird ein neues Flugzeugkühlsystem auf Basis einer natürlichen Zirkulation untersucht. Mit einer Naturumlaufkühlung kann eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet werden, da das System ohne aktive Komponenten wie eine Pumpe arbeitet. Außerdem kann die Gesamtmasse des Systems reduziert werden, da die hohe Verdampfungsenthalpie von Kältemitteln sehr kleine Rohrdurchmesser ermöglicht. Mögliche Anwendungsgebiete sind Kühlsysteme für Leistungselektronik, Batterien und Brennstoffzellen.

XRG erforscht neue Modellierungstechniken für die digitale Entwicklung. Drei Forschungsbereiche stehen im Mittelpunkt des Projekts:

  • Entwicklung einer innovativen Interpolationsmethode zur Berechnung von Fluiddaten. Dies ermöglicht die Untersuchung von neuen Kältemitteln. Dies ist sehr wichtig, da Umwelteinschränkungen den Ersatz bestehender Kühlflüssigkeiten fordern. Zusätzlich ermöglicht die neue Interpolationsmethode eine Erhöhung der Simulationsgeschwindigkeit.
  • Modellierung eines neuen Fluid-Rohr-Modells (Sechs-Gleichungs-Modelle oder Euler-Euler-Mehrphasenmodelle), bei dem Flüssigkeits- und Gasphase und deren Wechselwirkungen individuell modelliert werden. Mit diesen Modellen kann ein detailliertes Modell der Kühlströmung realisiert werden, z.B. unterschiedliche Strömungsrichtungen / Strömungsgeschwindigkeiten von Gas- und Flüssigphase sowie nicht-thermodynamisches Gleichgewicht (unterschiedliche Temperaturen).
  • Modellierung der Flugzeugbewegung zur Untersuchung des Einflusses von Flugzeugroll-, -gier- und -nickwinkeln. Dadurch kann der Einfluss der Flugzeugbewegung auf die Leistung des Kühlsystems untersucht werden.

Die erfolgreiche Umsetzung dieser Projektthemen ermöglicht es dem Projektpartner, Kühlsysteme mit natürlicher Zirkulation zu entwickeln.