Entwicklung eines digitalen Zwillings für ein Tank- und Konditionierungssystem von Flüssigwasserstoff in Luftfahrtanwendungen (WAKOS - AP 2.4 - SISW)

Abstract

Im Rahmen des Verbundvorhabens WAKOS (Wasserstoffkonditionierung und Sicherheit für neuartige Antriebe, LuFo VI-2) wurde die kommerzielle CFD-Software Simcenter STAR-CCM+ um Modelle für die Simulation von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff in Tank- und Konditionierungssystemen für Luftfahrtanwendungen erweitert. Der Beitrag der Siemens Industry Software GmbH umfasste das Arbeitspaket AP 2.4 "Systemsimulation und Verifizierung". Kernresultat ist ein auf dem Schrage-Modell basierendes Phasenübergangsmodell (Boiling/Condensation) für reine Substanzen, das Verdampfung und Kondensation an aufgelösten und nicht aufgelösten Phasengrenzen abbildet. Das Modell wurde für die Mehrphasenmethoden Volume of Fluid (VOF) und Mixture Multiphase (MMP) implementiert, anhand kanonischer Testfälle (Stefan-Problem) verifiziert und an experimentellen Daten aus der Literatur (kryogener Stickstoff- und Wasserstofftank) validiert. Ergänzend wurde ein Zwei-Regionen-Ansatz mit gekoppelten einphasigen Simulationen für effiziente Langzeitsimulationen sowie ein Delaunay-Triangulierungs-basiertes Interpolationsverfahren für thermodynamische Stoffdatentabellen entwickelt. Alle Ergebnisse sind seit der Simcenter STAR-CCM+ Version Oktober 2024 als Bestandteil der regulären Softwareversion weltweit verfügbar. Die drei Projektmeilensteine wurden planmäßig bzw. vorzeitig erreicht.