Systematic accuracy assessment for alternative aviation fuel evaporation models

Abstract

Environmental and security of supply concerns cause an increasing demand for alternative fuels in aviation. Different fuel production pathways for alternative aviation fuels have been suggested and approved in recent years. In that respect, changes in fuel production can result in various fuel compositions and properties and thus impose a risk for the use in the aircraft and jet engine; the ASTM D4054 approval process was developed to warrant the safety of flight. Nevertheless, tests are expensive and time-consuming. Particularly for the combustion testing part, numerical simulations can be beneficially used to reduce costs and time. Furthermore, virtual prototyping and robust design methods might be essential in supporting the design of fuel flexible combustion chamber with reduced emissions. The use of simulation in the context of decision making in situations with risks related to humans and the environment raises the questions how reliable and accurate simulations results are. In this work, new methods are applied that have been developed for scientific computing. The focus of these methods is on supporting simulation informed risk-related decision making as the final recipient of validation activities. Hereby, it is of essential importance that metrics describing the accuracy of the models over the domain of application are inferred systematically. Furthermore, by reporting the influence of uncertainties in input quantities on the response quantities, the reliability of the simulation results can be increased substantially. Evaporation is an important sub-process of the fuel preparation in a combustion chamber and depends strongly on the fuel composition and properties. Conventional Jet A-1 and most alternative aviation fuels consist of several hundred of different species. Continuous Thermodynamic Models (CTM) have been successfully used in recent years to describe multicomponent-fuel droplet evaporation of real fuels. CTM capture the details of the fuel evaporation while preserving the information of the fuel composition over the evaporation process with low computational load. Up to the present, validation activities have been performed by comparing numerical simulation results with experimental data from suspended droplets experiments. These tests proved the functionality of the concepts successfully. However, the fuel composition was unknown, and the droplet suspension had a strong intrusive effect. Thus, the validations are limited to qualitative statements. In this work, a validation domain was derived from the character of actual and future alternative aviation fuels to determine quantitative metrics for alternative aviation fuel evaporation models systematically. Experiments with different fuels from the validation domain were performed in a newly designed experiment. The validation experiment enables to study the evaporation of a wide range of fuels under controlled conditions in a non-intrusive way. Global and local metrics for the evaporation models were inferred. The effect of uncertainties in the spray injection conditions on simulation results was determined by using Latin Hypercube Sampling to sample the input domain and to propagate the uncertainties through the governing equations. The resulting uncertainties in the simulation result can be interpreted as the precision of the validation approach. Validation metrics, as well as the precision, give future users (modeler, analyst and decision maker) all information required to assess the model adequacy for the intended use and, if necessary, to determine next actions to improve the model or the validation experiment.

Um die langfristige Versorgungssicherheit mit flüssigen Treibstoffen in der Luftfahrt sicherzustellen und die ökologischen Auswirkungen zu minimieren, wurden in den letzten Jahren verschiedene Herstellungspfade für alternative Treibstoffe entwickelt und zugelassen. Jede Änderung im Herstellungspfad hat jedoch einen Einfluss auf die Zusammensetzung des Treibstoffes und birgt somit ein Risiko bei der Nutzung des Treibstoffes in Flugzeug und Triebwerk. Die Zuverlässigkeit der Nutzung neuartiger Treibstoffe wird durch aufwendige und kostenintensive Tests nach dem ASTM D4054 Zulassungsverfahren sichergestellt. Numerische Simulationen haben das Potential, die Zeitdauer von Verbrennungstests beim Zulassungsverfahren maßgeblich zu verkürzen und Kosten einzusparen. Darüber hinaus können der virtuelle Entwurf und Methoden der Entwicklung von robusten Designs eine wesentliche Unterstützung beim Entwurf von neuen brennstoffflexiblen und schadstoffärmeren Brennkammern sein. Hier muss jedoch die Frage gestellt werden, wie zuverlässig und belastbar die aus numerischen Simulationen gewonnenen Informationen sind und inwieweit sie als Basis für Entscheidungen mit Konsequenzen für die Sicherheit von Mensch und Umwelt dienen können. In dieser Arbeit werden neue Methoden für die Validierung von numerischen Modellen angewandt, die im Bereich des wissenschaftlichen Rechnens in den letzten Jahren entwickelt wurden. Das risiko-informierte Entscheiden, basierend auf aus Simulationen gewonnenen Daten, steht hier als Endprodukt im Fokus. Dabei ist es zum einen von wesentlicher Bedeutung, die Genauigkeit der verwendeten Modelle quantitativ und systematisch über den Anwendungsraum der Modelle zu erfassen. Zum anderen wird die Zuverlässigkeit der Modelle maßgeblich erhöht, indem die Auswirkung von Unsicherheiten in den Eingangsgrößen auf relevante Zielgrößen in die Untersuchung einbezogen wird. Die Verdunstung ist ein wichtiger Teilprozess der Treibstoffaufbereitung in der Brennkammer, der unter anderem stark von den Treibstoffeigenschaften und somit der Treibstoffzusammensetzung abhängt. Konventionell hergestelltes Jet A-1 und ebenso die meisten alternativen Luftfahrttreibstoffe bestehen aus hunderten Einzelkomponenten. Um die Mehrkomponenten-Verdunstung realer Treibstoffe abbilden zu können, wurde in den letzten Jahren die Methode der kontinuierlichen Thermodynamik erfolgreich angewandt. Diese Methode ermöglicht es, Veränderungen in der Treibstoffzusammensetzung während der Verdunstung detailliert wiederzugeben und ist dabei sehr rechenzeiteffizient. Bisherige Validierungen wurden durch den Vergleich von Simulationsergebnissen mit Daten durchgeführt, die aus Experimenten an aufgehängten Tropfen gewonnen wurden. Durch diese Tests wurde die Funktionalität der Modelle erfolgreich nachgewiesen, jedoch war die Zusammensetzung der Treibstoffe nicht bekannt und die Tropfenaufhängung hatte einen stark intrusiven Einfluss. Damit sind bisherige Validierungen des Modelles nur auf qualitative Aussagen beschränkt. In dieser Arbeit wurde, basierend auf den Charakteristika aktueller sowie potentieller alternativer Treibstoffe, eine Validierungsdomain für Luftfahrttreibstoffe abgeleitet. Diese ermöglichte es, systematisch quantitative Metriken über die Genauigkeit von Verdunstungsmodellen für alternative Luftfahrttreibstoffe zu bestimmen. In einem neu entwickelten nicht intrusiven Validierungsexperiment wurde die Verdunstung verschiedener Treibstoffe aus der Validierungsdomain unter kontrollierten Bedingungen detailliert untersucht. Anhand der gewonnenen experimentellen Daten und Simulationsergebnisse konnten globale und lokale Validierungsmetriken abgeleitet werden. Der Einfluss von Unsicherheiten in den Spraystartbedingungen auf die Simulationsergebnisse wurde mittels Latin Hypercube Sampling bestimmt. Die resultierenden Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen können als Präzision des Validierungsexperimentes interpretiert werden. Die Validierungsmetriken sowie die Information über die Präzision des Validierungsexperimentes ermöglichen dem zukünftigen Nutzer die Adäquatheit des Modells für den Einsatzbereich zu bewerten und gegebenenfalls Maßnahmen für die Verbesserung des Modells oder des Validierungsexperimentes vorzuschlagen.