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Numerische Modellierung der Kabinenluftströmung und des Stofftransports von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen

  • Für den Transport flüssiger Gefahrguter im Luftverkehr werden unter anderem Kunststoffverpackungen verwendet, die Leckagen aufweisen oder Permeation unterliegen können. Aufgrund der vorhandenen Belüftungsbedingungen ist eine Ansammlung entzündlicher oder gesundheitsschädlicher Gase im Frachtraum von Flugzeugen denkbar. Die Überschreitung ausreichender Konzentrationen solcher Gase kann zu einer Gefährdung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Kabinenluftströmungen und der Stofftransport von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen mittels CFD untersucht. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines geeigneten numerischen Modells auf der Grundlage eines generischen Frachtraums mit typischen Merkmalen. Die verwendeten realitätsnahen Randbedingungen entsprechen aktuellen Flugzeugmustern. Das numerische Modell wird mittels experimenteller Modellversuche im Maßstab 1/10 validiert. Das Strömungsfeld im Frachtraummodell wird mittels eines LDA-Systems vermessen. Das validierte numerischeFür den Transport flüssiger Gefahrguter im Luftverkehr werden unter anderem Kunststoffverpackungen verwendet, die Leckagen aufweisen oder Permeation unterliegen können. Aufgrund der vorhandenen Belüftungsbedingungen ist eine Ansammlung entzündlicher oder gesundheitsschädlicher Gase im Frachtraum von Flugzeugen denkbar. Die Überschreitung ausreichender Konzentrationen solcher Gase kann zu einer Gefährdung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Kabinenluftströmungen und der Stofftransport von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen mittels CFD untersucht. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines geeigneten numerischen Modells auf der Grundlage eines generischen Frachtraums mit typischen Merkmalen. Die verwendeten realitätsnahen Randbedingungen entsprechen aktuellen Flugzeugmustern. Das numerische Modell wird mittels experimenteller Modellversuche im Maßstab 1/10 validiert. Das Strömungsfeld im Frachtraummodell wird mittels eines LDA-Systems vermessen. Das validierte numerische Modell wird sowohl für Simulationen im Maßstab 1/10 als auch im Maßstab 1/1 verwendet. Anhand der drei Validierungskriterien Symmetrie, Verlaufe und Beträge der betrachteten Strömungsgrößen und einer LDA-Spektralanalyse wird insgesamt eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ermittelt. Eine systematische Untersuchung zeigt den Einfluss relevanter Parameter auf das Strömungsfeld und den Stofftransport. Zunächst werden die Einlassreynoldszahl und der Einlassturbulenzgrad sowie die Wandrauigkeit und Wandunebenheit bewertet. Für kleine Reynoldszahlen werden hohe Konzentrationen und für größere Reynoldszahlen werden deutlich geringeren Konzentrationen von Gefahrgut ermittelt. Anhand einer Variation in vier Schritten wird der Einfluss des Einlassmassenstromverhältnisses aus Luft und Gefahrgut bewertet. Erst für Werte von <1000 lasst sich ein signifikanter Einfluss feststellen. Es werden die Stoffe Toluol und n-Hexan beispielhaft für brennbare Gefahrgüter der Klasse 3 verwendet. Der Einfluss der Position und Gestalt verschiedener Einlassquellen wird an vier realitätsnahen Quellentypen bewertet. Anhand vier verschiedener Transportszenarien wird die Ausbreitung von Gefahrgut im Modellmaßstab untersucht. Die Szenarien unterscheiden sich durch die Art der Belüftung und durch die Dauer des Gefahrgutaustritts. Szenarien mit aktiver Frachtraumbelüftung sind als eher unkritisch zu beurteilen. Die betrachteten Szenarien ohne aktive Frachtraumbelüftung sind als gefährlich einzustufen. Insbesondere das Szenario mit zeitlich unbegrenztem Gefahrgutmassenstrom erreicht kritische Konzentrationswerte und eine kritische Ausdehnung der Gefahrgutansammlung im Frachtraum. Diese Ergebnisse werden anhand zweier Szenarien im Maßstab 1/1 bestätigt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, das Verständnis der Strömungs- und Stofftransportvorgange im Flugzeugfrachtraum beim Transport von Gefahrgütern im Luftverkehr zu erweitern, um Risiken im Luftverkehr zu identifizieren. Die Allgemeingültigkeit und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Flugzeugmuster und Flugszenarien mit komplexeren Details sind zu prüfen.zeige mehrzeige weniger
  • Liquid dangerous goods are regularly transported as air freight in commercial aircrafts. Using plastic jerrycans or plastic containers, liquids or gases can escape by leakage or permeation effects. The specific ventilation situation in the aircraft cargo compartment may lead to agglomerations of potentially flammable or harmful gas-air mixtures in the cargo compartment. Exceeding certain concentration limits of such gases may cause dangerous situations. This work presents a CFD study of the cabin air flow and the mass transport of dangerous goods in the cargo compartments of commercial airplanes. In a first step, an adequate numerical model is developed that utilizes a generic aircraft cargo compartment with typical characteristics. The realistic boundary conditions are based on modern types of aircrafts. The numerical model is validated by model experiments in 1/10 scale. As a second step, the flow field in the cargo compartment is determined using a LDA-system. The validatedLiquid dangerous goods are regularly transported as air freight in commercial aircrafts. Using plastic jerrycans or plastic containers, liquids or gases can escape by leakage or permeation effects. The specific ventilation situation in the aircraft cargo compartment may lead to agglomerations of potentially flammable or harmful gas-air mixtures in the cargo compartment. Exceeding certain concentration limits of such gases may cause dangerous situations. This work presents a CFD study of the cabin air flow and the mass transport of dangerous goods in the cargo compartments of commercial airplanes. In a first step, an adequate numerical model is developed that utilizes a generic aircraft cargo compartment with typical characteristics. The realistic boundary conditions are based on modern types of aircrafts. The numerical model is validated by model experiments in 1/10 scale. As a second step, the flow field in the cargo compartment is determined using a LDA-system. The validated numerical model is employed for simulations in 1/10 and 1/1 scale. Using three validation criteria (the symmetry, the evolution and values of flow variables and a LDA spectral analysis) a good qualitative and quantitative agreement between experiment and simulation is found. As a next step, a systematic analysis of relevant parameters influencing the flow and the mass transport in the cargo compartment is conducted. The influence of the inlet Reynolds number and the inlet turbulence intensity as well as the wall roughness and geometric obstructions on the wall are evaluated. For low Reynolds numbers, high concentrations are found and for higher Reynolds numbers, significantly lower concentrations of dangerous goods are calculated. The influence of, the ratio of air and dangerous good flowing into the domain is evaluated using four different values of. Only values of <1000 show a significant influence on the concentration levels in the domain. The dangerous substances toluene and hexane are used as examples for class 3 flammable dangerous goods. The influence of the position and the shape of different inlet sources for dangerous goods are evaluated using four different types of sources. In a final step, four different transport scenarios are used to simulate and evaluate the expansion and propagation of dangerous goods in the generic cargo compartment in the model scale 1/10. The scenarios differ in the ventilation situation and the duration of the mass of dangerous goods entering the domain. Scenarios with an active cargo compartment ventilation are found to be noncritical. Scenarios without an active ventilation lead to critical concentrations of dangerous goods. In particular, a scenario with an indefinite mass inflow of a dangerous gas shows critical concentration levels and a critical expansion in the cargo compartment. These findings are confirmed by simulations of two different scenarios in a 1/1 scale. The presented work contributes to a better understanding of the cabin air flow and the mass transport of dangerous goods in aircraft cargo compartments in order to identify potential risks. The universal validity and the transferability of the findings to other, more complex aircraft cargo compartments and transportations scenarios are to be reviewed in further research.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Malte Zur
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (128)
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2015
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Gutachter*innen:Alfred Leder, Nikolai Kornev, Frank-Hendrik Wurm, Frank Otremba
Datum der Abschlussprüfung:19.12.2014
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:128
Erste Seite:1
Letzte Seite:170
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:CFD; Kabinenluftströmung; LDA; Stofftransport von Gasen; gefährliche Güter im Luftverkehr
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-4949
ISBN:978-3-9816668-8-5
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:09.04.2015
Jahr der Fertigstellung:2015
Referierte Publikation:Nein
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