Wasserstoffkonditionierung und Sicherheit für neuartige Antriebe - Systemsimulation und Verifizierung (WAKOS-HAP2-AP2.4a)

Abstract

Im Rahmen des Vorhabens: Wasserstoffkonditionierung und Sicherheit für neuartige Antriebe (WAKOS), mit dem Förderkennzeichen 20M2106H, wurde die Verwendung von flüssigem Wasserstoff (LH2) zum Antrieb eines Luftfahrzeugs untersucht. Das Verbundvorhaben WAKOS wurde hierzu in die folgenden vier Hauptarbeitspakete (HAP1 bis HAP4) unterteilt:

HAP1 - Brennkammerentwicklung, HAP2 - LH2 Management System, HAP3 - H2 Verteilung, HAP4 - Brandsicherheit.

Die Hauptarbeitspakete beinhalteten weitere Unterarbeitspakete. Der Beitrag der Universität Bremen (Fachgebiet Strömungsmechanik) lag in der Bearbeitung des Unterarbeitspakets AP 2.4a: Systemsimulation und Verifizierung, innerhalb des Hauptarbeitspakets HAP2. Die geleisteten Arbeiten umfassten die theoretische Untersuchung der physikalischen Grundlagen zum Verhalten von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff unter Berücksichtigung sämtlicher Einflüsse durch den Einsatz in einem generischen Luftfahrzeugtank. Die Handhabung von flüssigem Wasserstoff bei einer Sättigungstemperatur von 20 K (etwa -253 ◦C) entsprechend einem Sättigungsdruck von 1 bar ist eine besondere Herausforderung. Vor allem Phasenwechselvorgänge (Verdampfung und Kondensation) beeinflussen die strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgänge des Fluids im Tank, neben den anliegenden Randbedingungen. Die Vorhersage dieser Vorgänge erforderte den Einsatz von CFD-Programmen (Computational Fluid Dynamics). Im Rahmen des Vorhabens wurde eine vereinfachte, generische Flugsequenz (von der Konditionierung am Startplatz, über das Abheben von der Startbahn bis zur Abbremsphase nach der Landung auf der Landebahn) für einen generischen Wasserstofftank auf der Original-Skala numerisch simuliert. Hierbei wurden die Erhaltungsgleichungen für die Masse, den linearen Impuls und die Energie beider Fluidphasen mit Hilfe der Volume of Fluid Methode (VOF) in drei Raumrichtungen gelöst. Ein Phasenwechselmodell zur Modellierung von Verdampfung und Kondensation an den Flüssigkeit-Gas-Grenzflächen wurde ebenfalls verwendet. In diesem Bericht wird über die durchgeführten Arbeiten und die wesentlichen Ergebnisse im Einzelnen berichtet, die seitens des Partners Universität Bremen (Fachgebiet Strömungsmechanik) erzielt werden konnten.