Реактивный двигатель слишком горячий? Запланировать МРТ

По словам подполковника Майкла Бенсона, доктора философии, магнитно-резонансная томография (МРТ), технология медицинской визуализации, используемая для визуализации органов и мягких тканей, может стать ключом к повышению эффективности реактивных двигателей. студент факультета машиностроения Стэнфордского университета.

Всего за несколько часов МРТ собирает столько трехмерных данных о потоке и перемешивании, сколько традиционные методы, требующие двух или более лет интенсивных измерений. Это обещает сократить время, необходимое для разработки и тестирования новых конструкций, повышающих эффективность и производительность, и обещает экономию энергии.

Бенсон использует МРТ для повышения эффективности реактивного двигателя - работу, которую он описал 17 ноября на собрании Отделения гидродинамики (DFD) Американского физического общества в Лонг-Бич, Калифорния. Этот метод также может дать представление о других проблемах смешения жидкостей, от сгорания до поток нефти через пористую породу в скважине.

Исследование Бенсона - одно из первых, в котором МРТ использовалась для сбора данных о потоках. Метод был впервые использован исследователями из Стэнфорда Кристофером Элкинсом и Джоном Итоном, которые использовали его для изучения колоний кораллов и лопастей турбин. Eaton предложил Бенсону, который в настоящее время служит в армии, использовать этот метод для анализа смешения горячих газов сгорания и охлаждающих газов в реактивных турбинах.

Реактивные двигатели более эффективны, когда они нагреваются. Фактически, лопасти сразу после камеры сгорания двигателя работают очень близко к своей температуре плавления. Для максимальной эффективности задние кромки этих лезвий очень тонкие.

«Если не охладить их активно, они тают», - сказал Бенсон.

Турбинные двигатели охлаждают лопасти, направляя поступающий воздух в серию змееподобных каналов, проходящих через каждую лопасть.

«В какой-то момент лезвия становятся слишком тонкими для этого, поэтому они сдирают кожу на конце лезвия и позволяют воздуху проходить через заднюю кромку», - сказал Бенсон.

Когда этот более холодный воздух выходит из лопасти, он смешивается с горячим воздухом из камеры сгорания, повышая температуру поверхности лопатки выше температуры охлаждающей жидкости. Анализируя смешивание горячего и байпасного воздуха, Бенсон надеется оптимизировать конструкцию байпаса и уменьшить необходимое количество охлаждающей жидкости. Это повысит производительность двигателя и повысит топливную экономичность.

Этот тип анализа начинается с измерения температуры и скорости потока горячего и байпасного воздуха при их смешивании. Исследователи делают это, выпуская мелкие частицы, такие как флуоресцентные красители или капли масла, и ударяя по ним лазером. Это освещает частицы, положение которых фиксируется высокоскоростной камерой. Затем компьютер анализирует изображения и вычисляет местоположение и скорость частиц.

К сожалению, камеры одновременно захватывают только небольшую площадь или плитку. У них также очень узкая глубина резкости, диапазон расстояний, на котором фотографии достаточно резкие для анализа. В результате все плитки необходимо сшить в картину единой плоскости. Чтобы визуализировать трехмерный эксперимент, нужно создать и сшить множество плоскостей.

На это нужно время. «Я знаю одного аспиранта, который потратил три года на сбор таких данных, - сказал Бенсон.

Он продолжил, что МРТ фиксирует тот же объем данных за четыре-восемь часов. Это потому, что МРТ предназначены для изображения трехмерных объектов. Они делают это, систематически воздействуя на протоны в молекулах водорода электромагнитным импульсом и измеряя их местоположение по мере того, как они быстро выравниваются с магнитным полем.

Бенсон использует МРТ-сканер исследовательского класса для проведения своих экспериментов. МРТ показывает воду, смешанную с сульфатом меди, дешевым химическим веществом, которое часто используется для уничтожения водорослей в прудах, что обеспечивает быструю реакцию на импульсы.

«В медицинских МРТ часто используется гадолиний в качестве контрастного вещества, но это очень дорого, особенно если вы вводите жидкость для сканирования, которое длится несколько часов», - сказал Бенсон.

Хотя Бенсон все еще занимается анализом конструкции задней кромки лезвия, он уже добился прогресса. «Я уже могу увеличить охлаждение поверхности на 10 процентов, что эквивалентно снижению температуры лезвия на 100–150 градусов по Фаренгейту», - сказал он.