L'imagerie IRM accélère la recherche sur l'efficacité des réacteurs à réaction

L'imagerie par résonance magnétique (IRM), une technologie d'imagerie médicale qui capture des données 3D détaillées de fluides en mouvement, est sur le point de transformer la conception des réacteurs à réaction, selon le lieutenant-colonel Michael Benson, doctorant en génie mécanique à l'Université de Stanford.

En un seul examen IRM, les chercheurs peuvent acquérir les mêmes données volumétriques de flux et de mélange qui prennent traditionnellement deux ans ou plus d'expériences au sol – raccourcissant drastiquement les cycles de développement et permettant une optimisation rapide de la performance des turbines.

Benson a présenté le concept pour la première fois lors de la réunion de la Division de la dynamique des fluides de l'American Physical Society à Long Beach, en Californie, le 17 novembre. Il explique que l'IRM peut fournir des informations sur une large gamme de défis de mélange de fluides, de la chimie de combustion au transport de pétrole à travers la roche poreuse.

Son travail s'appuie sur des études pionnières des chercheurs de Stanford Christopher Elkins et John Eaton, qui ont utilisé l'IRM pour examiner des colonies de corail et des pales de turbine. Eaton a suggéré à Benson d'appliquer la technique au mélange de gaz de combustion chauds et d'air de bypass plus frais à l'intérieur des turbines à réaction.

Les réacteurs à réaction fonctionnent le plus efficacement aux températures les plus élevées possibles, mais cela pousse les pales de turbine – en particulier celles juste en aval de la chambre de combustion – près de leurs points de fusion. Pour les empêcher de fondre, les bords de fuite de ces pales sont fabriqués extrêmement minces.

« Si vous ne les refroidissez pas activement, ils fondent », explique Benson. « Les moteurs à turbine dévient une partie de l'air entrant dans des passages en forme de serpent qui traversent chaque pale, fournissant un refroidissement. Lorsque les pales deviennent trop minces, elles perdent une fine peau au bout et laissent l'air s'écouler sur le bord de fuite. »

Lorsque l'air plus frais sort de la pale, il se mélange à l'air chaud du combusteur, augmentant la température de surface de la pale au-dessus de la température du fluide de refroidissement. En cartographiant ce processus de mélange, Benson espère affiner la conception du bypass et réduire la quantité de fluide de refroidissement nécessaire, augmentant ainsi la performance du moteur et l'efficacité énergétique.

Traditionnellement, les chercheurs mesurent la température et la vitesse des flux d'air chaud et de bypass en ensemencant le flux avec des colorants fluorescents ou des gouttelettes d'huile, en les illuminant avec un laser et en enregistrant leur mouvement avec des caméras à haute vitesse. Le champ de vision limité et la faible profondeur de champ signifient que de nombreuses tuiles d'image doivent être assemblées pour former un seul plan, et des dizaines de plans sont nécessaires pour reconstruire une expérience tridimensionnelle – un processus chronophage.

« Je connais un doctorant qui a passé trois ans à collecter ce type de données », dit Benson. « L'IRM peut capturer le même volume de données en quatre à huit heures. »

L'IRM y parvient en perturbant les protons dans les molécules d'hydrogène avec une impulsion électromagnétique et en mesurant leur réalignement rapide avec le champ magnétique, fournissant une imagerie volumétrique du champ d'écoulement.

Pour ses expériences, Benson utilise un imageur IRM de qualité recherche et image de l'eau mélangée à du sulfate de cuivre – un produit chimique peu coûteux qui réagit rapidement aux impulsions IRM. Les IRM médicales reposent souvent sur le gadolinium comme agent de contraste, mais celui-ci est coûteux pour des scans qui durent des heures.

Bien qu'il affine encore les conceptions de bord de fuite de pale, Benson rapporte un succès précoce : une augmentation de 10 % du refroidissement de surface, se traduisant par une réduction de 100 à 150 °F de la température de la pale.