Experimentelle und modellbasierte Untersuchung eines vibroakustischen Messverfahrens zur Bestimmung der Kraftstoffmenge in kryogenen Wasserstofftanks für Flugzeuge

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht experimentell und modellbasiert ein vibroakustisches Messverfahren zur Bestimmung der Kraftstoffmenge in kryogenen Wasserstofftanks für Flugzeuge. Flüssiger Wasserstoff (LH2) hat das Potenzial in zukünftigen Flugzeugen als klimaneutraler Treibstoff eingesetzt zu werden. Die präzise Messung des Füllstandes stellt jedoch eine technologische Herausforderung dar, da herkömmliche Methoden unter den extremen thermodynamischen Bedingungen von LH2 an ihre Grenzen stoßen. In dieser Arbeit wird ein nicht-invasives vibroakustisches Verfahren analysiert, das auf der Messung der strukturellen Resonanzfrequenzen des Tanks basiert. Hierzu werden numerische Simulationen in COMSOL multiphysics durchgeführt, um die Wechselwirkungen zwischen der Tankstruktur und dem eingefüllten Medium zu modellieren. Ergänzend dazu werden experimentelle Untersuchungen an einem Testaufbau mit verschiedenen Füllständen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Korrelation zwischen der Füllmenge und der Verschiebung der Resonanzfrequenzen.

This thesis presents an experimental and model-based investigation of a vibroacoustic measurement method for determining the fuel quantity in cryogenic hydrogen tanks for aircrafts. Liquid hydrogen (LH2) is a promising zero-emission energy carrier for future aviation. However, precise fuel level measurement is a significant technological challenge, since conventional methods are limited under the extreme thermodynamic conditions of LH2. This study analyzes a non-invasive vibroacoustic approach that relies on measuring the structural resonance frequencies of the tank. Numerical simulations using COMSOL Multiphysics are conducted to model the interactions between the tank structure and the contained fluid. In addition, experimental investigations are performed on a test setup with varying fill levels. The results demonstrate a clear correlation between the fuel level and the shift in resonance frequencies.