Modeling of Fuel Tank Inerting for FAA OBIGGS Research

Slide1Modeling of Fuel Tank Inerting forFAA OBIGGS Research William Cavage AAR-440 Fire Safety Branch Wm. J. Hughes Technical Center Federal Aviation Administration International Fire and Cabin Safety Research Conference Parque das Na çõ es Conference Center  Lisbon, Portugal  November 15-18, 2004

Slide2Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Outline • Background – Goals and Objectives – Previous Work • Analytical (calculation) Models • Physical (scale) Models • Modeling Methods – Scale A320 Tank in Altitude Chamber – Calculation Model – Scale 747 Tank in Altitude Chamber • Summary

Slide3Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Background • FAA has been developing and testing an OBIGGS for fuel tank inerting to illustrate the feasibility of light weight, simplified inerting systems to reduce flammability in commercial transport airplanes • Modeling inert gas effects and distribution in commercial transport fuel tanks could assist in the development process and allow for cost effective systems analysis and trade studies – Capitalize on previous FAA modeling work done in support of ground based inerting research (sea level inerting only) – Models have to be simple to be useful in a cost analysis study or rulemaking exercise – FAA has a relatively large amount of flight test data to validate any developed models

Slide4Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Previous Work – Ullage [O2] Calculation Model • Uses perfect mixing assumption and calculates the volume of oxygen in and out of tank at every time step – Uses a basic spreadsheet iterating calculation and runs immediately given the volume of the tank, the flow rate and purity of the NEA – Constant inerting only

Slide5Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Previous Work – Multi-Bay Inerting Model • Engineering model that calculates inert gas distribution in 6- bay tank, in terms of oxygen concentration evolution, given NEA purity and bay deposit flow rates – Based on calculation method previously discussed and tracks oxygen in and out of each bay assuming perfect mixing – Designed for “localized deposit” methods and assumes an “outward” flow pattern, splitting flow to adjacent bays based on flow area relationships – Data agreed fairly well with full-scale data

Slide6Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Engineering Model Inerting Data Comparison

Slide7Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Previous Work – Scale 747SP CWT • FAA built and performed tests in 24% scale 747SP (classic type) center-wing fuel tank – Made from plywood using NTSB Shepherd report drawings – Scaled all penetrations (holes) between bays and vent system – Variable NEA deposit capability to allow for inerting of tank with scaled flows in each bay – Oxygen concentration measured in each bay – Model data duplicated full-scale results very well for localized deposit method studied

Slide8Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Scale Model Inerting Data Comparison

Slide9Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D • Regardless of methodology, all modeling methods predict bulk ullage oxygen concentration well Previous Work – Average [O 2 ] Predictions

Slide10Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Modeling Method – Altitude Calculation Model • A calculation model of average ullage oxygen concentration based on inert gas added and altitude change was developed based on existing model – Model changed to calculate mass of oxygen added and removed at each time step, assuming perfect mixing, in a single bay tank given a tank volume and starting oxygen concentration – Must input system performance (NEA flow and purity) in terms of time and altitude – Calculates ullage gas removed from tank due to increase in altitude (decrease in pressure) to calculate mass of oxygen decrease in tank – Calculates air entering tank due to decrease in altitude (increase pressure) to calculate mass of oxygen increase – The model is a relatively simple time step spreadsheet that calculates instantaneously

Slide11Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Modeling Method – Altitude Calculation Model – Basic equation governing modeling method With: =   Mass of oxygen in tank at time  t         =  Mass flow rate of inerting gas (in terms of  t ) IGOF    =   Fraction of oxygen in inerting gas Δρ =  Change in Ullage Density due to Altitude Change V Tank =  Volume of Tank Ullage m Tank     =  Mass of Gas in Tank m air     =  Mass of air entering tank Ullage Gas Oxygen Fraction (UGOF) is given as: – Simple effective model for predicting resulting ullage oxygen concentration given a system performance and mission profile

Slide12Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Altitude Inerting Calculation Model Data Comparison

Slide13Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Modeling Method – Scale A320 CWT • FAA built and performed tests in 50% scale Airbus A320 center-wing fuel tank – Made from plywood using drawings given to us by Airbus in support of joint inerting flight test – Scaled all structural members of tank inside down to the smallest detail – Mass flow controller and NEA mixer used to inert the tank in altitude chamber – Altitude oxygen analyzer used to track ullage with additional basic instrumentation

Slide14Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Block Diagram of Scale A320 CWT Experiment

Slide15Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D • Results indicate that duplication of the flight cycle with the system performance in the altitude chamber was accomplished with coordination of test personnel • Measured scale tank oxygen concentration data illustrated good agreement with flight test results considering the large differences in measurement systems sample lag • Localized oxygen concentration dynamics illustrated some fidelity when specific sample location data were compared with similar locations in the flight test aircraft Modeling Method – Scale A320 CWT

Slide16Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Full-Scale Data Compared with Scale System Performance

Slide17Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Full-Scale Data Compared with Scale Model [O2] Results

Slide18Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Full-Scale Data Compared with Modeling Methods

Slide19Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Comparison of Modeling Methods Modeling Data for System Size Comparison Ullage [O 2 ] for Airbus v1972 Test Descent

Slide20Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D Modeling Method – Scale 747SP CWT • FAA performed tests in 24% scale Boeing 747 (classic type) CWT built for GBI inert gas distribution study – Used scale model in altitude chamber with NEA mixer and mass flow controller and simulated potential 747 missions with predicted system performance – OBOAS used to track bay [O 2 ] – Single deposit in bay 6 – Results appear to make sense but have no flight test data to make valid comparisons

Slide21Modeling of Fuel Tank Inerting____________________________________ AAR-440 Fire Safety R&D • Simple calculation models of average ullage oxygen concentration have been developed and can duplicate flight test data in a fairly accurate manner – Requires no unique engineering skills – Very easy to develop and modify for a wide variety of flight cycles, OBIGGS capabilities and ullage conditions • Scale models can be tested with an altitude facility in a relatively cost effective manner to give good agreement with flight test data – Some specialized instrumentation and facilities needed – Provides some ability to analyze internal flow dynamics – More work is needed to validate this method for compartmentalized tanks Summary