Modeling and Simulation of an Aircraft Environmental Control System

ans ce mémoire, on traite de la modélisation du Système de contrôle de l'environnement (SCE) des avions CS300 de Bombardier en se basant sur des données de vol et des modèles analytiques. Plus précisément, les données de vol et l'analyse dimensionnelle sont utilisées pour créer des modèles des composantes du SCE. La principale fonctionnalité du SCE est de fournir les conditions optimales dans les cabines afin d'assurer le confort des passagers. Ainsi, ce système assure une pressurisation convenable, régule la température et fournit une ventilation adéquate en fonction du nombre de passagers en traitant l'air provenant des moteurs à réaction. Les composantes principales du SCE comprennent quatre échangeurs de chaleur à plaques et ailettes, un ventilateur, un compresseur, une turbine, des vannes de régulation, des sources et des puits de chaleur, et les conduites faisant circuler l'air. Pour chaque composante mécanique, les paramètres de performance ont été adimentionnalisés et cartographiés. Lorsque des surfaces tridimensionnelles étaient requises, les paramètres de performances issus des données de vol ont été complémentés avec des hypothèse de lissage de surface. En procédant de cette façon, un problème de régularisation a pu être résolu. L'architecture du SCE a été créée et résolu à l'aide du logiciel Flowmaster® (FM). En effet, le logiciel permet d'intégrer des scripts personnalisés au modèle ce qui le rend très flexible. Les résultats de simulation du modèle ont été comparés aux données de vol et les deux convergent vers des valeurs similaires. Seuls les résultats de simulation des cas avec beaucoup d'humidité (HD et XHD) n'ont pas convergé vers les températures attendues parce que le calcul de transfert thermique dans Flowmaster néglige la chaleur latente de l'eau. Néanmoins, un algorithme Matlab est suggéré dans ce mémoire afin d'améliorer celle du logiciel. Pour tous les autres cas de vol (XCD, CD et ISA), le modèle est capable de prédire les conditions dans les cabines selon l'altitude, la température extérieure, et la vitesse de l'avion.

Abstract

n this memoir we address the task of modeling Bombardier's CSeries 300 aircraft environmental control system (ECS) based on flight data. That is, flight data and dimensional analysis is used to model the system main components. The function of the ECS is to supply optimal cabin conditions to the passengers' cabin (ventilation, pressurization, temperature control and best possible humidity) using bleed air coming from the engines. The system components comprise four heat exchangers, a fan, a compressor, a turbine, control valves, cabin heat sources and sinks and the interconnecting piping. For each component analogous to a mechanical machine, the performance parameters were adimensionalized and their respective performance maps were built. When tridimensional reliable maps were required, flight data was augmented with smoothing assumptions. By doing so, a regularized optimization problem could be solved. The ECS network was built and solved with Flowmaster® software (FM). In fact, the software allows for customized scripts and performance maps to be easily imported to the model. The simulation of the final model was compared with flight data and converged to very similar results. Only simulations with very high humidity (HD and XHD cases) failed to converge to the expected temperature because Flowmaster's heat exchanger calculation neglected water latent heat. Nevertheless, code is suggested in this work to improve the software calculation method. For all the other cases (XCD, CD and ISA), the model is able to predict cabin conditions at any permitted altitude and aircraft speed. Moreover, the model and can be used as a design tool or analysis tool within Bombardier's support team.