Υπολογιστική Προσομοίωση Εξωτερικής Φωτιάς σε Άτρακτο Αεροσκάφους

Abstract

Οι αερομεταφορές στις μέρες μας αποτελούν τον πιο αναπτυσσόμενο και διαδεδομένο τρόπο μεταφοράς ανθρώπων και εμπορευμάτων. Παρότι η ιστορία των αερομεταφορών έχει στιγματιστεί από θανατηφόρα ατυχήματα, στόχος της αεροπορικής βιομηχανίας είναι η συνεχής έρευνα, μελέτη και εξέλιξη για την αποφυγή και πρόληψη τους. Η ασφάλεια κατά τη διάρκεια του ταξιδιού εξασφαλίζεται από ένα σύνολο αυστηρών κανόνων και προδιαγραφών που έχουν θεσπίσει από κοινού οι αεροπορικές εταιρίες με τις υπηρεσίες πολιτικής αεροπορίας διεθνώς. Ιδιαίτερα στο κομμάτι της πυρασφάλειας και πυραντοχής των υλικών υπάρχει ένα σύνολο πρότυπων δοκιμών για τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο αεροσκάφος . Από τις διάφορες περιπτώσεις ατυχημάτων, αυτή της εξωτερικής φωτιάς είναι μια ιδιαίτερα πιθανή περίπτωση αφού αφορά έκχυση καυσίμου μετά από πρόσκρουση ή αναγκαστική προσγείωση στο έδαφος, ή ακόμα και διαρροή. Η παρούσα εργασία εστιάζει σε ένα τέτοιο σενάριο ατυχήματος και εξετάζει συγκεκριμένα τη συμπεριφορά των σύνθετων υλικών σε μια υπό κλίμακα δοκιμή. Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από την αεροπορική βιομηχανία με χαρακτηριστικά παραδείγματα το 787 Dreamliner της εταιρίας Boeing και το Α350-XWB της Airbus όπου το ποσοστό χρήσης σύνθετων υλικών και στα δυο αεροσκάφη αγγίζει το 50%. Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν νέες πρότυπες δοκιμές, αποκλειστικά για τα σύνθετα υλικά, αυτά απαιτείται τουλάχιστον να πληρούν τις προδιαγραφές που κάλυπταν έως τώρα τα κράματα αλουμίνιου, που ήταν το βασικό δομικό υλικό στην αεροναυπηγική. Πέραν από τις πρότυπες δοκιμές γίνονται και δοκιμές μεσαίας και μεγάλης κλίμακας για να υπάρχει μια συνολική εικόνα της συμπεριφοράς της ατράκτου σε συνθήκες εξωτερικής φωτιάς. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε μια υπολογιστική προσομοίωση μια τέτοιας δοκιμής, συγκεκριμένα μεσαίας κλίμακας. Η πειραματική διάταξη της δοκιμής αποτελείται από ένα τμήμα ατράκτου σε κλίμακα 1/4, η οποία εκτίθεται σε φωτιά (pool fire) και στην όποια υπάρχουν μια σειρά στοιχείων για την καταγραφή των αποτελεσμάτων. Για τις ανάγκες της προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε το πακέτο Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής ANSYS CFX 14. Γενικότερα η προσομοίωση ενός τέτοιου φαινομένου είναι αρκετά πολύπλοκη αφού αφενός είναι δύσκολη η προσομοίωση της φλόγας στην υπολογιστική ρευστομηχανική, ενώ παράλληλα απαιτείται και προσέγγιση των θερμοφυσικών ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού αφού αυτές δεν είναι σταθερές αλλά έχουν εξάρτηση από πολλούς παράγοντες. Αφού υπήρχε κατασκευή του πλέγματος, της γεωμετρίας και εισήχθησαν στο πρόγραμμα οι αρχικές και οριακές συνθήκες, επιλύθηκε το πρόβλημα σε συνθήκες μόνιμης ροής. Αυτή η κίνηση ήταν μια αναγκαιότητα για την επιλογή του μοντέλου προσομοίωσης της φλόγας σαν είσοδο θερμού αέρα, ενώ παράλληλα χρησιμοποιήθηκε για την σύγκριση των αποτελεσμάτων θερμοκρασιών στο εσωτερικό της ατράκτου όπου φάνηκε καλύτερη η συμπεριφορά του πάνελ του σύνθετου υλικού(εποξικό ανθρακόνημα) συγκριτικά με το πάνελ του κράματος αλουμινίου. Στην προσομοίωση σε συνθήκες μη μόνιμης ροής φάνηκε η σημαντική σύγκλιση των αποτελεσμάτων σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα. Όσον αφορά τις θερμοκρασίες στο εσωτερικό της ατράκτου το μέγιστο σχετικό σφάλμα είναι 6,6% ενώ για τις θερμοκρασίες στην ψυχρή πλευρά του πάνελ το σφάλμα είναι 6,5%. Με βάση την ικανοποιητική αυτή ακρίβεια, παρουσιάζονται και αποτελέσματα από την υπολογιστική προσομοίωση, όπου είναι ουσιαστικά αδύνατο να βρεθούν από το πείραμα, και δίνουν μια συνολική εικόνα του προβλήματος, δείχνοντας παράλληλα και τις δυνατότητες της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής.

Λέξεις Κλειδιά: Εξωτερική φωτιά σε αεροσκάφος, Υπολογιστική προσομοίωση, σύνθετα υλικά

Air transport of people and goods is steadily increasing. One of the main goals of the aerospace industry is to avoid and prevent fatal accidents, which have stigmatized the history of aviation. A set of rules and regulations, adopted by the airlines and the aviation companies globally, ensure the safety of flights. Especially in a fire scenario, the fire resistance of the materials used in the aircraft is tested by a set of standard test and procedures. This thesis focuses on the event of an aircraft fuselage subjected to an external fire and simulates a 1/4 scale pool fire test of a fuselage made of aluminum alloy or composite materials. This scenario is related to jet fuel fire and is common when an aircraft crushes to the ground or when the fuel is leaked out. Moreover, composite materials are increasingly used by the aviation industry as illustrated by the brand new aircrafts, the 787 Dreamliner Boeing and the A350-XWB Airbus, where the use of composite materials in both aircrafts reaches 50%. The numerical simulation were performed using ANSYS CFX 14 which is a commercial CFD (Computational Fluid Dynamics) software. In a test case like this the simulation procedure is quite complex because of the difficulty simulating the flame in the CFD software, as well as the needed approximations of the thermophysical properties of the composite materials. The composite material in this study is a carbon-epoxy, the thermophysical properties of which are not constant but depend on many parameters. The first stage of the simulation focuses on a steady state flow scenario so as to determine a model for the simulation of the flame. In this stage, the use of a hot air inlet was determined to be more appropriate and it was also found that the temperature inside the fuselage was lower using a carbon-epoxy panel than the aluminum alloy panel. In the next stage, where transient flow conditions were considered, a very good agreement of simulation results with experimental data was observed. The maximum relative error of the temperatures inside the fuselage was found to be 6.6%, while for the temperatures in the panel's cold side it was 6.5%. Based on the obtained level of accuracy, some characteristic results from the numerical simulations, which could not be obtained experimentally, are presented; the presented results give an overview of the problem and show the potential of CFD in pool fire aircraft scenarios.

Keywords: External aircraft fuselage fire, CFD , composite materials