Υπολογιστική ανάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων για την μελέτη δεξαμενών χρησιμοποιούμενων προς αποθήκευση υγρού υδρογόνου σε κρυογενικές θερμοκρασίες, για αεροπορικές εφαρμογές

Μαντζαρούδης, Βασίλειος; Mantzaroudis, Vasileios

dc.contributor.author	Μαντζαρούδης, Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Mantzaroudis, Vasileios	en
dc.date.accessioned	2022-07-01T09:28:48Z
dc.date.available	2022-07-01T09:28:48Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55353
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23051
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Εφαρμοσμένη Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Δεξαμενή αποθήκευσης	el
dc.subject	Υγρό υδρογόνο	el
dc.subject	Κρυογενική θερμοκρασία	el
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	ANSYS	en
dc.subject	Storage tank	en
dc.subject	Liquid hydrogen	en
dc.subject	Cryogenic temperature	en
dc.subject	Finite element method	en
dc.subject	ANSYS	en
dc.title	Υπολογιστική ανάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων για την μελέτη δεξαμενών χρησιμοποιούμενων προς αποθήκευση υγρού υδρογόνου σε κρυογενικές θερμοκρασίες, για αεροπορικές εφαρμογές	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Computational analysis using the Finite Element Method for study of liquid hydrogen storage tanks in cryogenic temperatures, for use in aircraft applications	en
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-18
heal.abstract	Στην έναρξη του 2022 και παρά τα προβλήματα που έχουν προκληθεί από την πανδημία του ιού COVID-19, οι πιο πρόσφατες προβλέψεις για την εξέλιξη των απαιτήσεων για αεροπορικά ταξίδια δείχνουν μια ισχυρά αυξητική τάση για τα επόμενα τουλάχιστον 20 χρόνια, με αυξανόμενο μάλιστα ρυθμό. Ταυτόχρονα, οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, προεξάρχοντος του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), βρίσκονται στα υψηλότερα επίπεδα από ποτέ, με την τάση να παραμένει ανησυχητικά αυξητική επίσης. Ακόμα και επενδύοντας στη βελτίωση των υπαρχόντων συμβατικών τεχνολογιών πετρελαιοειδών καυσίμων, το μέγιστο προσδοκώμενο αποτέλεσμα είναι μια μείωση της αυξητικής τάσης των εκπεμπόμενων ρύπων παρά μια ριζική μείωσή τους, πόσο μάλλον η πλήρης εξάλειψή τους. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τη στρατηγική επιλογή φορέων και οργανισμών παγκοσμίου εμβέλειας να θέσουν ως στόχο των επόμενων δεκαετιών όχι απλά τη μείωση αλλά την εκμηδένιση των ρύπων από την ανθρώπινη δραστηριότητα και την επίτευξη κλιματικής ουδετερότητας, διαπιστώνεται ότι η επένδυση στη βελτίωση υπαρχουσών τεχνολογιών δεν διαθέτει ρεαλιστική βάση για κάποιο ουσιαστικό αποτέλεσμα στην κατεύθυνση αυτή. Γίνεται σαφές, πέραν πάσης αμφιβολίας, ότι η επένδυση σε τεχνολογίες είτε εντελώς νέες, είτε ήδη γνωστές αλλά όχι καλά εδραιωμένες ακόμη, διαθέτει την κατάλληλη δυναμική για την εύρεση λύσεων στα πλαίσια της στρατηγικής για ανάσχεση της κλιματικής αλλαγής εξαιτίας του ανθρώπινου παράγοντα. Στο πλαίσιο αυτό, μια τεχνολογία η οποία είναι ήδη γνωστή στην επιστημονική κοινότητα εδώ και δεκαετίες, και μάλιστα δοκιμασμένη σε ένα βαθμό, αλλά μόνο σε επίπεδο δοκιμών και όχι σε ευρείας κλίμακας συστηματική χρήση σε πραγματικά αεροσκάφη, είναι αυτή της χρήσης του υδρογόνου ως καύσιμο για τον διαρκώς αυξανόμενο, με αυξητική τάση, παγκόσμιο στόλο αεροσκαφών. Από τις διαφορετικές μεθόδους αποθήκευσης του υδρογόνου για χρήση ως καθαρό, βιώσιμο αεροπορικό καύσιμο, μια πολύ σημαντική είναι αυτή της κρυογενικής αποθήκευσής του σε υγρή μορφή (cryogenic storage in liquid state), σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (-253οC). Ήδη μεγάλοι κατασκευαστές αεροσκαφών βρίσκονται στο στάδιο μελέτης τέτοιου είδους εφαρμογών υδρογόνου για χρήση σε πραγματικά αεροσκάφη εντός των επόμενων 10 – 15 ετών. Σημαντικό μέρος στην κατεύθυνση αυτή αποτελεί η μελέτη των δεξαμενών αποθήκευσης του κρυογενικού υδρογόνου, η οποία θέτει μια σειρά από προκλήσεις. Οι προκλήσεις αυτές αφορούν τόσο την θερμική και δομική συμπεριφορά των δεξαμενών, όσο και τον τρόπο εγκατάστασής τους στο αεροσκάφος, λαμβάνοντας υπόψιν τον διαθέσιμο χώρο αλλά και τον επηρεασμό των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών των αεροσκαφών από τυχόν μεταβολές στο γεωμετρικό σχήμα τους ώστε να είναι εφικτή η ενσωμάτωση των δεξαμενών. Ήδη ένας αριθμός μελετητών ασχολείται με τη διερεύνηση αυτών των ζητημάτων με αυξανόμενη ένταση τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Λαμβάνοντας υπόψιν τα ανωτέρω, η παρούσα εργασία επιχειρεί να δημιουργήσει επιπρόσθετη γνώση επί αυτών των ζητημάτων. Βασιζόμενη στο ότι έως τώρα, η προτίμηση των μελετητών ήταν η εστίαση σε συγκεκριμένα σχήματα δεξαμενών, προοριζόμενα για να ενταχθούν σε κάποιο συγκεκριμένο αεροσκάφος, είτε στα πλαίσια τροποποίησης υπάρχουσας σχεδίασης, είτε στα πλαίσια δημιουργίας καινοτόμας σχεδίασης, η παρούσα μελέτη συγκεντρώνει το ενδιαφέρον της στη διερεύνηση ενός ευρύτερου φάσματος γεωμετρικών σχημάτων δεξαμενών, αλλά και ενός αριθμού παραμέτρων που σχετίζονται με τη σχεδίαση ή τη λειτουργία τους. Στόχος της είναι η επισήμανση χαρακτηριστικών της θερμικής και δομικής συμπεριφοράς του εύρους των εξεταζόμενων δεξαμενών, ώστε να αποτυπωθούν βασικά συμπεράσματα και ακολούθως κατευθυντήριες γραμμές που θα βοηθήσουν τον σχεδιαστή μηχανικό. Πιο συγκεκριμένα, η διάρθρωση του παρόντος πονήματος είναι η ακόλουθη: Στο Κεφάλαιο 1, πραγματοποιείται μια σύντομη αλλά περιεκτική παρουσίαση της τρέχουσας κατάστασης και της μελλοντικής πρόβλεψης για τον τομέα της αεροπλοΐας συνδυαστικά με τα αντίστοιχα στοιχεία σχετικά με την πορεία της περιβαλλοντικής κατάστασης. Ακόμη, πραγματοποιείται μια πρώτη εισαγωγή στο υγρό υδρογόνο ως πιθανή λύση στο ζήτημα του περιορισμού ή της εκμηδένισης των εκπομπών ρύπων λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας. Στο Κεφάλαιο 2 αρχικά τίθενται τα βασικά ζητήματα τα οποία οι μελετητές διαχρονικά έχουν αναγνωρίσει ως προτεραιότητες όσον αφορά τις δεξαμενές αποθήκευσης υγρού υδρογόνου. Παράλληλα, διεκπεραιώνεται μια ανασκόπηση σε έως τώρα πλήρεις εφαρμογές υδρογόνου ως καύσιμο σε πραγματικά αεροσκάφη˙ αντιστοίχως πράττεται και για θεωρητικές εφαρμογές του σε υπάρχουσες ή νέες σχεδιάσεις αεροσκαφών, στα πλαίσια ευρύτερων προγραμμάτων ή μεμονωμένων μελετών, με κοινό χαρακτηριστικό όλων των ανωτέρω την αποθήκευση του υδρογόνου σε υγρή μορφή εντός κρυογενικών δεξαμενών. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται αναλυτικά η φύση του προβλήματος που πρόκειται να επιλυθεί για έναν αριθμό διαφορετικών διατάξεων δεξαμενών, και τίθενται τα πλαίσια για την εκτέλεση της παραμετρικής μελέτης που ακολουθεί, κάνοντας σαφείς τις παραμέτρους που πρόκειται να εξεταστούν ως προς την επίδρασή τους στη θερμική και δομική συμπεριφορά αλλά και στη διαστασιολόγηση των δεξαμενών. Οι συγκεκριμένες παράμετροι αφορούν: α) το ποσοστό πληρότητας των δεξαμενών με υγρό υδρογόνο β) το γεωμετρικό σχήμα των δεξαμενών γ) το είδος του μονωτικού υλικού δ) το συνολικό όγκο του θαλάμου αποθήκευσης του υδρογόνου ε) τον επιτρεπόμενο ρυθμό αεριοποίησης του υγρού υδρογόνου λόγω της ροής θερμότητας από το εξωτερικό περιβάλλον (boil-off rate). Στο Κεφάλαιο 4 περιλαμβάνεται μια σύντομη ανάλυση της μεθόδου που επιλέγεται για την επίλυση των ζητημάτων της μελέτης, αυτή της αριθμητικής επίλυσης μέσω της χρήσης λογισμικού Πεπερασμένων Στοιχείων. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται αναλυτική παρουσίαση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων της παραμετρικής μελέτης. Στο Κεφάλαιο 6, καταγράφεται το σύνολο των συμπερασμάτων που εξήχθησαν από την ανάλυση, ενώ στο Κεφάλαιο 7, προτάσεις για περαιτέρω έρευνα στο πεδίο της μελέτης των κρυογενικών δεξαμενών αποθήκευσης υγρού υδρογόνου, το οποίο οπωσδήποτε είναι διευρυμένο, επισημαίνονται.	el
heal.abstract	In the beginning of 2022 and despite the problems caused by the pandemic of the COVID-19 virus, the most recent predictions on the evolution of the request for air travelling show a growing-rate, strongly increasing trend for at least the next 20 years. At the same time, the greenhouse gases (GHG) emissions, with carbon dioxide (CO2) being the dominant one, are in the highest level of all time, also with an increasing trend. Even by investing in the improvement of the existing conventional, fossil fuel technologies, the maximum expected result would be rather a decrease of the growth rate of the emissions than a radical decrease or a total elimination of them. However, considering the strategic choice of worldwide organizations to set as target for the next decades not only the decrease but the elimination of the emissions due to human activity and the achievement of climate neutrality, it is concluded that the investment only on the improvement of currently used technologies is not realistic for an essential result in this direction. It becomes clear, beyond any doubt, that investing in technologies either totally new or already known but still not well established, possesses the proper potential for solutions in the frame of the strategy for the containment of the climate change due to the human factor. In this context, a technology already known among the scientific society in decades and performed up to a degree, but only in test level and not in wide use in real aircraft, is that of the implementation of hydrogen as a fuel for the continuously increasing, with a growing rate, world aircraft fleet. Among the variety of hydrogen storage methods for use as a clean, sustainable aviation fuel, the one of cryogenic storage in extremely low temperatures in liquid state is very important. Already, large aircraft manufacturers are in the process of studying such applications for implementation in real aircraft in the next 10 – 15 years. An essential part of this effort is the study of the storage tanks of the liquid hydrogen, where a set of challenges arises. These challenges regard both the thermal and structural behavior of the tanks, as well as the installation in the aircraft frame, taking under consideration the available space and the effect on the aerodynamic characteristics of the aircraft due to possible variations of their external shape in order for the tank implementation to be achieved. Quite a number of researchers have been investigating such matters with an increasing interest during the last two decades. Considering the above, the present thesis attempts to create additional knowledge on the subject. Based on the fact that up to now, the preference of the researchers has been the focus on specific tank shapes, intended to be integrated on a specific aircraft design, either by modification of an existing design or during the creation of an innovative one, the study that follows focuses on investigating a wider range of tanks shapes, as well as a number of parameters relating to the design or operation of them. The target is to designate and emphasize characteristics of the thermal and structural behavior of the range examined, in order to remark conclusions and set guidelines to help the design engineer. More specifically, the structure of the present work is the following: in Chapter 1, a brief but comprehensive presentation of the current situation and the future forecast for the aviation sector, in combination with corresponding results regarding the evolution of the climate change. Additionally, an introduction to liquid hydrogen as a potential solution on the matter of radically reducing or eliminating of the emissions due to human activities is performed. In Chapter 2, the main issues that the researchers have identified over time on the subject of liquid hydrogen storage tanks are presented. In parallel, a review on full-scale applications of hydrogen fuel in real aircraft is performed; the same is done for theoretical applications in existing or new aircraft designs, in the context of projects or individual studies, with common characteristic the storage of hydrogen in liquid state in cryogenic tanks. In Chapter 3 the nature of the problem to be solved for the range of tanks selected is clarified; the frame for the execution of the parametric study that follows is also set, making clear the parameters to be examined for their effect on the thermal and structural behavior and the sizing of the tanks. In Chapter 4 a brief analysis of the method of Finite Elements chosen for the solution of the thesis objectives is included. Chapter 5 regards the detailed presentation and comments on the results of all the analyses. In Chapter 6, the basic conclusions extracted from the study are mentioned, while in Chapter 7, proposals for further investigation in the field of cryogenic tanks for liquid hydrogen, which definitely is vast, are remarked.	en
heal.advisorName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.advisorName	Theotokoglou, Efstathios	en
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Theotokoglou, Efstathios	en
heal.committeeMemberName	Κοντού, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Kontou, Evagelia	en
heal.committeeMemberName	Ζήσης, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Zisis, Athanasios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	163 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false