Numerische Untersuchung der durch Schwappen induzierten Belastungen auf kapazitive Rohrsensoren im vorderen Tank der DLH-25 Flugzeugkonfiguration

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden die durch Schwappen induzierten mechanischen Belastungen auf vier dünnwandige kapazitive Rohrsensoren im vorderen LH2-Tank der DLH-25 numerisch untersucht. Hierzu wird in COMSOL Multiphysics ein dreidimensionales Zweiphasenströmungsmodell aufgebaut, bei dem die Phasengrenze zwischen flüssigem und gasförmigem Wasserstoff mit der Level-Set-Methode beschrieben wird. Als transienter Lastfall wird ein Startabbruch betrachtet. Für LH2-Füllstände von 30 %, 50 % und 80 % werden die aus der Schwappbewegung resultierenden dynamischen Einspannmomente an vier Sensorpositionen bestimmt und in lokalen Sensorkoordinaten hinsichtlich Biegebeanspruchung ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit der lokalen Sensorbelastung von Sensorposition und Füllstand. Während die maximalen dynamischen Einspannmomente bei drei Sensorpositionen mit zunehmendem Füllstand abnehmen, zeigt eine Sensorposition einen gegenläufigen Trend. Die Belastung wird dabei überwiegend durch Biegung bestimmt. Obwohl die absoluten Momentenwerte vergleichsweise gering erscheinen, stellen die schwappinduzierten Lasten gegenüber dem durch das Sensoreigengewicht verursachten Biegemoment einen relevanten zusätzlichen Lastanteil dar. Die Ergebnisse liefern damit eine quantitative Grundlage für die nachfolgende strukturmechanische Bewertung der Sensoren und ihrer Befestigungen unter kryogenen Bedingungen.

This study numerically investigates the mechanical loads induced by sloshing on four thin-walled capacitive tube sensors located in the forward LH2 tank of the DLH-25. To this end, a three-dimensional two-phase flow model is developed in COMSOL Multiphysics, utilizing the level-set method to describe the phase interface between liquid and gaseous hydrogen. A launch abort scenario is considered as the transient loading case. For LH2 fill levels of 30%, 50%, and 80%, the dynamic clamping moments resulting from sloshing motion are determined at four sensor locations and evaluated in terms of bending stress within the local sensor coordinate systems. The results reveal a distinct dependency of the local sensor load on both sensor position and fill level. While the maximum dynamic clamping moments decrease with increasing fill level at three of the sensor locations, one location exhibits an opposing trend. The loading is predominantly governed by bending. Although the absolute moment values appear comparatively low, the slosh-induced loads represent a significant additional load component relative to the bending moment caused by the sensor´s own weight. Consequently, the results provide a quantitative basis for the subsequent structural-mechanical assessment of the sensors and their mountings under cryogenic conditions.