模拟液氢动力飞机燃料箱中阵风引起的晃动

背景

的 英国航空航天技术研究所(ATI) 为英国航空航天工业制定技术发展目标和资助研究. 它的 FlyZero 该计划是整个部门共同努力开发氢动力飞机问题的技术解决方案. 数字工程 受委托调查飞机在地面和飞行中与液氢燃料的热力学和流体动力学有关的问题.

所面临的挑战

液氢燃料必须保持在极低的温度下, 因此，使用机翼作为燃料箱的正常设计方案不适用于氢动力飞机. 相反，氢气必须储存在机身内部的专用压力容器中. 正因为如此，当油箱清空时，液体会随飞机运动而自由晃动. 这也是传统飞机的一个众所周知的问题, 液体的运动可以对结构施加力并改变飞机的重心, 但是对于液氢燃料，还有另一个, 更严重的问题. 

和任何低温燃料一样, 由于罐内的热力学平衡，液体成分不断沸腾. 这是一个问题, 当它逐渐提高油箱压力时, 是液体的自由表面暴露量的函数. 晃动增加了自由表面积，加速了沸腾，造成了潜在的危险.

解决方案

我们开发了一个 计算流体动力学(CFD) 模拟液态氢对飞机运动的反应的燃料箱模型. CFD是一种数值密集型的数学工具，用于求解适用于流体流动问题的守恒定律. 数值算法和计算能力的最新发展使我们能够用CFD解决越来越复杂的问题, 包括通过储罐结构和储罐内液体和气体之间的自由表面的传热建模. 最具挑战性的部分是开发和验证一个控制氢沸腾的状态方程模型.

然后，我们可以将飞机运动数据应用于重心处的时间相关序列. 该模型通过连续预测液体和气体的运动来响应, 气体的质量从液态变为气态.

结果

该模型表明，某些极端的操作使液氢在整个储罐中处于分散状态, 大大增加了表面积，加速了蒸发速率. 尽管如此, 我们的工作表明，储罐的压力更有可能受到其他因素的影响，而不是由蒸发率影响. 这项研究的发现有助于“低温氢燃料系统和储存路线图，由ATI在FlyZero项目结束时发布. 数字工程 是否正在进行研究以评估抑制罐内液体运动的方法, 同时最大限度地减少由挡板引起的额外热量传递.