Moteur d'avion trop chaud ? Planifier une IRM

L'imagerie par résonance magnétique (IRM), une technologie d'imagerie médicale utilisée pour imager les organes et les tissus mous, pourrait être la clé de l'amélioration de l'efficacité des moteurs à réaction, selon le lieutenant-colonel Michael Benson, titulaire d'un doctorat. étudiant en génie mécanique à l'Université de Stanford.

En quelques heures seulement, une IRM collecte autant de données tridimensionnelles sur le débit et le mélange que les méthodes conventionnelles qui nécessitent deux années ou plus de mesures intensives. Cela promet de réduire le temps nécessaire pour développer et tester de nouvelles conceptions qui améliorent l'efficacité et les performances, promettant des économies d'énergie.

Benson utilise l'IRM pour améliorer l'efficacité des moteurs à réaction - travail qu'il a décrit le 17 novembre lors de la réunion de l'American Physical Society Division of Fluid Dynamics (DFD) à Long Beach, en Californie. La technique pourrait également fournir des informations sur d'autres problèmes de mélange de fluides, allant de la combustion à l'écoulement du pétrole à travers la roche poreuse dans un puits.

L'étude de Benson est l'une des premières à utiliser une IRM pour recueillir des données de flux. La technique a été mise au point par les chercheurs de Stanford, Christopher Elkins et John Eaton, qui l'ont utilisée pour étudier les colonies de coraux et les pales de turbine. Eaton a suggéré que Benson, actuellement dans l'armée, utilise cette technique pour analyser le mélange des gaz de combustion et de refroidissement chauds dans les turbines à réaction.

Les moteurs à réaction sont plus efficaces lorsqu'ils chauffent plus. En fait, les aubes juste en aval de la chambre de combustion du moteur tournent très près de leur point de fusion. Pour maximiser l'efficacité, les bords de fuite de ces lames sont très fins.

"Si vous ne les refroidissez pas activement, ils fondent", a déclaré Benson.

Les moteurs à turbine refroidissent les pales en déviant un peu d'air entrant dans une série de passages en forme de serpent qui traversent chaque pale.

"À un moment donné, les pales deviennent trop fines pour faire cela, alors elles retirent un peu de peau à l'extrémité de la pale et laissent l'air passer par-dessus le bord de fuite", a déclaré Benson.

Lorsque cet air plus froid sort de la pale, il se mélange à l'air chaud de la chambre de combustion, augmentant la température de la surface de la pale au-dessus de la température du liquide de refroidissement. En analysant comment l'air chaud et l'air de dérivation se mélangent, Benson espère optimiser la conception de la dérivation et réduire la quantité requise de liquide de refroidissement. Cela augmenterait les performances du moteur et l'efficacité énergétique.

Ce type d'analyse commence par mesurer la température et la vitesse des flux d'air chaud et de dérivation lorsqu'ils se mélangent. Pour ce faire, les chercheurs libèrent de petites particules, telles que des colorants fluorescents ou des gouttelettes d'huile, et les frappent avec un laser. Cela illumine les particules, dont les positions sont capturées par une caméra à grande vitesse. Un ordinateur analyse ensuite les images et calcule l'emplacement et la vitesse des particules.

Malheureusement, les caméras ne capturent qu'une petite zone, ou tuile, à la fois. Ils ont également une profondeur de champ très étroite, la plage de distance où les photos sont suffisamment nettes pour l'analyse. En conséquence, toutes les tuiles doivent être cousues ensemble dans une image d'un seul plan. Pour visualiser une expérience en trois dimensions, de nombreux plans doivent être générés et assemblés.

Cela prend du temps. "Je connais un étudiant au doctorat qui a passé trois ans à collecter ce type de données", a déclaré Benson.

L'IRM capture la même quantité de données en quatre à huit heures, a-t-il poursuivi. C'est parce que les IRM sont conçues pour imager des objets en trois dimensions. Pour ce faire, ils perturbent systématiquement les protons dans les molécules d'hydrogène avec une impulsion électromagnétique et mesurent leurs emplacements lorsqu'ils se réalignent rapidement avec le champ magnétique.

Benson utilise un imageur IRM de qualité recherche pour mener ses expériences. L'IRM image de l'eau mélangée à du sulfate de cuivre, un produit chimique peu coûteux souvent utilisé pour tuer les algues dans les étangs, qui fournit une réponse rapide aux impulsions.

"Les IRM médicales utilisent souvent le gadolinium comme agent de contraste, mais c'est vraiment cher, surtout si vous donnez du liquide pour un examen qui dure des heures", a déclaré Benson.

Bien que Benson analyse toujours la conception du bord de fuite des pales, il a déjà fait des progrès. « Je suis déjà en mesure d'augmenter le refroidissement de la surface de 10 %, ce qui équivaut à une réduction de la température de la lame de 100 à 150 degrés Fahrenheit », a-t-il déclaré.