1.16 Simulation der Hüllentemperatur eines Heissluftballons

1.16 Simulation der Hüllentemperatur eines Heissluftballons

Dieses Projekt hat zum Ziel, ein detailliertes physikalisches Modell eines Heissluftballons zu entwickeln, das seine Bewegung basierend auf realen Wetterdaten beschreibt. In einem vorgängigen Projekt wurde die Grundlage zur Simulierung erarbeitet und eine Versuchsfahrt zur Generierung von Daten zur Validierung des Modells durchgeführt. In diesem Projekt wird ein Heissluftballon-Modell in Berkeley Madonna implementiert, um die Versuchsfahrt nachzustellen und mit den gemessenen Hüllentemperaturen zu vergleichen.

Mitwirkende: J. Stoll, T. Hocker, S. Ehrat Partner: Air Ballonteam Stefan Zeberli GmbH Dauer: 2020

Das physikalische Modell eines Heissluftballons wird in Berkeley Madonna, basierend auf einer Massen, Energie- und Impulsbilanz, implementiert. Durch iteratives Vorgehen wird das Modell mit Ballon-spezifischen Features wie dem Parachute, der Brennersteuerung oder dem Gasverbrauch erweitert. Für das Lösen der Bilanzen werden Inputgrössen benötigt. Um die Ergebnisse mit den gemessenen Grössen der Versuchsfahrt vergleichen zu können, müssen die Inputgrössen mit den während dem Versuch herrschenden Bedingungen übereinstimmen. Die Daten bezüglich des Ballons und der Beladung stammen von Stefan Zeberli. Die erforderlichen Wetterdaten werden von dem NCAR-Weather Data Archive bezogen. Da die Auflösung der Wetterdaten zu grob ist, kann eine Fahrt in x- und y-Richtung nicht nachvollziehbar dargestellt werden. Deshalb liegt der Fokus auf der Simulation der Heissluft- und Hüllentemperatur und dem Vergleich der Messdaten. Bei der genannten Versuchsfahrt wurde der Hopper «HB-QZT Homebuilt» vermessen. Dabei wurden Umgebungs- und Hüllentemperatur sowie die relative Luftfeuchtigkeit auf 80 m, 600 m, 880 m und 1100 m über Boden erfasst. Um Daten für den Vergleich zu erhalten, werden anhand des Wärmebilds über die Höhe der Ballonhülle die Minimal, -Maximal- und mittlere Temperatur ermittelt. In Abbildung 1 sind die gemessenen und simulierten Temperaturen des finalen Modells über die Höhe aufgetragen. Es ist gut zu erkennen, dass die Hüllentemperatur von der Umgebungstemperatur abhängt. Das Modell liefert gute Ergebnisse, da die simulierte Temperatur zwischen der minimalen und mittleren Temperatur zu liegen kommt und die Abnahme der Hüllentemperatur mit zunehmender Flughöhe korrekt voraussagt. Eine anschliessende Sensitivitätsanalyse hat ergeben, dass der Unterschied zwischen Heissluft- und Hüllentemperatur 20 K – 30 K beträgt. Das Modell bietet eine gute Grundlage, um zu untersuchen, wie die unterschiedlichen Parameter miteinander zusammenhängen und beispielsweise auf Änderungen der Umgebungseinflüsse reagieren. Diese Ergebnisse sind für den Aviatik-Studiengang sowie Heissluftballonpiloten gleichermassen interessant.

Höhe über Boden [m] 200 400 600 800 1000

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Temperatur [°C]

Umgebungstemperatur [°C] Mittelwert Wärmebildmessung [°C] Simulation (1000kW Ballon: 50kg, 83kg) [°C] Minimum Wärmebildmessung [°C] Maximum Wärmebildmessung [°C]

Abb. 1: Vergleich der mit einem Temperatursensor gemessenen Umgebungstemperatur in gelb, der mit der Wärmebildkamera gemessenen Minimal-/Maximaltemperatur in blau respektive orange, dem Mittelwert in grün sowie der simulierten Hüllentemperatur in dunkelblau. Für die Simulation wird eine Brennerleistung von 1'000 kW, eine Masse von 50 kg und einer Beladung von 83 kg verwendet.