Master's Thesis

Modeling and Optimization of an Oxygen Mask for Aerospace Applications

Author of thesis: Bc. Adam Mikeš

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vratislav Šálený, Ph.D.

Reviewer: Ing. Štěpán Kaspar

Abstract:

This thesis deals with the numerical evaluation of flow inside the MBU-20/P aviation oxygen mask, with a focus on the amount of carbon dioxide re-inhaled by the user. The theoretical part describes the principles of aviation oxygen masks, the issue of mechanical dead space, CO₂ rebreathing, and the influence of internal flow on the washout of the mask cavity. The practical part focuses on the digital reconstruction of the mask geometry, preparation of the computational domain, and transient CFD simulation of representative breathing cycles.
The monitored quantity was the time-dependent CO₂ concentration in the mouth region during the inhalation phase. For quantitative evaluation, the area under the CO₂ concentration curve during the inhalation interval was used. This value was then used as the objective function for optimizing the valve position in the UPTIMAI environment. The design variables were the valve displacements in the X, Y, and Z directions.
Based on the CFD simulation, a surrogate model was created, allowing the influence of valve position to be evaluated rapidly without the need for repeated calculations in Fluent. The accuracy of the surrogate model was verified using R² and RMSE values and subsequently by a control calculation of the area under the curve from data obtained in Fluent. The results showed that the valve displacement in the Z direction had the most significant influence on the value, while the influence of the Y direction was minimal.
The optimized valve position led to a reduction in the area under the CO₂ concentration curve during the inhalation phase compared with the average original curve obtained from 30 models. The results confirm that the valve position can significantly influence the amount of CO₂ remaining in the mask and subsequently re-inhaled by the user. This thesis therefore presents a verified workflow combining digital reconstruction, CFD simulation, and surrogate modeling for the evaluation and optimization of flow in an aviation oxygen mask.

Keywords:

oxygen mask, MBU-20/P, dead space, CO₂ rebreathing, CFD, transient simulation, work of breathing (WOB), aerospace, CT reconstruction, geometric optimization

Date of defence

10.06.2026

Date of publish

09.06.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji závěrečnou práci která se zabývala modelováním a optimalizací kyslíkové masky pro aerospace aplikace. V následné rozpravě student popisoval nastavení parametrů CFD simulace, parametry zvolené sítě a jejich předpokládaný vliv na získané výsledky. Následná obecná rozprava se týkala možností personalizace masky pro konkrétní piloty, experimentálního ověření výsledků simulace, možností transferu nově získaných poznatků na jiné typy masek a provedeného CT skenování.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Aerospace Technology (N-LKT-P)

Specialization

Aircraft Design (STL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (předseda)
Ing. Miroslav Šplíchal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jan Zouhar, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Zikmund, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Josef Klement, CSc. (člen)
Ing. Rostislav Koštial, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vratislav Šálený, Ph.D.

Téma práce souvisí s připravovaným experimentem pro let českého astronauta na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS). Autor prokázal schopnost rychle a kvalitně si osvojit a aplikovat značný rozsah nových znalostí – od lidské fyziologie, přes problematiku leteckých prostředků pro podporu životních funkcí pilota, až po využití široké škály moderních CAE nástrojů (Blender, FLUENT, ANSYS, ANSA a UPTIMAI). Práce vyniká inovativním přístupem efektivně propojujícím řetězec CAE nástrojů. Tento přístup umožňuje rychlou adaptaci průmyslového výrobku – kyslíkové pilotní masky MBU-20/P, již optimalizované pro svůj původně zamýšlený způsob použití, byť míra této optimalizace může být předmětem odborné diskuse – pro specifické potřeby přípravy experimentu souvisejícího s letem na ISS. Práci považuji za mimořádně zdařilou. Rozsahem, šíří odborného záběru i originalitou převyšuje běžný standard diplomových prací. Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Štěpán Kaspar

Diplomová práce pana Bc. Adama Mikeše je rozsahem i ambicí mimořádná. Autor prokázal schopnost samostatně zvládnout komplexní inženýrský workflow zahrnující CT digitalizaci reálného produktu, polygonální postprocessing, přípravu CFD-ready geometrie, transientní CFD simulace s nestandardními okrajovými podmínkami (včetně zpětnovazební formulace pro koncentraci vydechovaného CO₂), parametrickou studii s mesh morphingem napříč 30 konstrukčními variantami a propojení s externím nástrojem pro náhradní modelování, citlivostní a influencer analýzu. Úspěšné orchestrování tak širokého toolchainu na úrovni diplomové práce je obdivuhodné a odráží značnou samostatnost, vytrvalost a inženýrskou vyzrálost.

Mám však zásadní metodickou výhradu k absenci prismatických vrstev a chybějící verifikaci y+ ve vztahu ke zvolenému turbulenčnímu modelu k-ω SST. V kapitole 4.1.1 a v Tabulce 3 jsou uvedena všechna ostatní nastavení sítě (target length, min/max length, growth rate, počty elementů pro jednotlivé boundary regiony), chybí však jakákoli zmínka o prismatických vrstvách, výpočet odhadu potřebné výšky první buňky u stěny ze zvoleného Reynoldsova čísla a cílového y+, ani následná verifikace y+ v dosažené síti. Tuto skutečnost vizuálně potvrzuje Obrázek 29 na str. 55 (Volume Mesh of the Mask), kde je v řezu jasně patrná čistě tetraedrická síť bez jakékoli inflační vrstvy v okolí stěn. Tato vada se propisuje do celé CFD části práce a snižuje kvantitativní spolehlivost optimalizačních závěrů, zvláště v kontextu, kde se hledají rozdíly v řádu několika procent AUC CO₂. Kvalitativní směr optimalizace (dominance osy Z) je pravděpodobně správný, kvantitativní hodnoty však je nutné interpretovat s rezervou, kterou současný stav verifikace neumožňuje.

Přes tuto výhradu práce splňuje všechny cíle zadání, je formálně i logicky kvalitně zpracovaná a představuje použitelný metodický základ pro další vývoj leteckých dýchacích rozhraní. Doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jaká je hodnota y+ na stěnách masky v reprezentativním časovém okamžiku (např. v maximu nádechové rychlosti)? Jak je tato hodnota konzistentní s near-wall formulací modelu k-ω SST?
  2. Byla provedena studie závislosti výsledné AUC CO₂ na hustotě výpočetní sítě? Pokud ne, jak lze rozlišit, zda hlášený rozdíl 9,9 % mezi optimalizovanou a průměrnou konfigurací není v řádu diskretizační nejistoty?
  3. Pokud byste do stávající sítě doplnil prismatické vrstvy s korektně navrženou výškou první buňky (y+ ≈ 1), jakým směrem a v jakém řádu by se podle vás na základě dosavadních výsledků posunula hodnota AUC CO₂ a zůstal by zachován kvalitativní závěr o dominanci osy Z?

Grade proposed by reviewer: B

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová