Small aircraft fuel system model analysis

Abstract

An aircraft’s fuel system can be understood as a set of components that act together to store, manage, and deliver fuel to the engines. In this context, the model of such a system tries to represent its behavior through mathematical equations that describe pumps, valves, and tanks and their dynamic interaction, thereby creating a means for performing comprehensive studies. With the model, systems engineers can evaluate the aircraft fuel system architecture and performance from conceptual to more detailed design phases. This master’s thesis focuses on developing a generic twin-engine aircraft fuel system model using MATLAB/Simulink software, which later is used to perform simulations on the system’s behavior under various scenarios and extract valuable insights about its fluid mechanical behavior. Aircraft fuel system modeling requires knowledge about the system’s characteristics, functions, and components. In this work, the system is treated as a fluid-mechanical circuit. Hence, the theoretical introduction presented here connects fundamental concepts of aircraft fuel systems with fluid-mechanical systems modeling, which were the two core areas of this thesis. In addition, brief considerations are given on CS-23, which is the set of regulations to which the aircraft category discussed here is subject. Much of this work was dedicated to building, simulating the model, and choosing the most suitable software. Throughout the thesis, discussions about modeling include the development stages, modeling techniques, and the choice of MATLAB/Simulink over other tools. With the built model, various simulations were performed, demonstrating its capabilities and limitations and providing a reference for aircraft fuel system design. Some results verified the high influence of the nozzle area and pipe lengths on the scavenge jet pump’s flow ratio and the dihedral angle´s influence on minimizing unusable fuel quantities. In addition, studies were performed on the refueling case, where the pressure surge phenomenon and flow imbalance are analyzed, and finally, the crossfeed valve impact during an engine failure scenario is studied.

Um sistema de combustível de uma aeronave pode ser entendido como um grupo de componentes que atuam em conjunto para armazenar, gerir e fornecer combustível aos motores. Nesse contexto, o modelo de tal sistema tenta representar seu comportamento por equações matemáticas que descrevem bombas, válvulas, tanques, e sua interação dinâmica, assim criando meios para realizar estudos abrangentes. Com o modelo, engenheiros de sistemas podem avaliar a arquitetura e desempenho do sistema desde fases conceptuais até as mais detalhadas de um projeto. Essa tese de mestrado foca no desenvolvimento de um modelo genérico de um sistema de combustível de uma aeronave bimotora utilizando o software MATLAB/Simulink, que mais tarde é usado para simular o sistema em diversos cenários e extrair noções valiosas sobre o seu comportamento fluido-mecânico. A modelação de um sistema de combustível de uma aeronave requer o conhecimento de suas carac terísticas, funções e componentes. Neste trabalho, o sistema é tratado como um circuito fluido-mecânico, pelo que a introdução teórica deste trabalho conecta conceitos fundamentais do sistema de combustível de aeronaves com a modelação de sistemas fluido-mecânicos, que foram as duas áreas centrais desta tese. Adicionalmente, são apresentadas breves considerações sobre a CS-23, que é o conjunto de regu lações as quais a categoria de aeronave aqui discutida está sujeita. Grande parte deste trabalho dedicou-se à construção, simulação do modelo e à escolha do software adequado. Ao longo da tese é discutido o desenvolvimento do modelo, técnicas de modelação e a escolha do MATLAB/Simulink em detrimento de outras ferramentas. Com o modelo, várias simulações foram feitas, demonstrando suas capacidades e limitações e fornecendo uma referência para projetos de sistema de combustível. Alguns resultados verificam a grande influência da área do bico e comprimento das tubagens no rácio de caudais produzido pela bomba injetora e o impacto significativo que o diedro positivo tem na diminuição do combustível inutilizável.Adicionalmente são feitos estudos sobre o reabastecimento, incluindo análises de picos de pressão, desequilíbrio de caudais e por final estuda-se o impacto da válvula de cruzamento num cenário de falha dum motor.