Mesin jet terlalu panas? Jadwalkan MRI

Magnetic resonance imaging (MRI), teknologi pencitraan medis yang digunakan untuk gambar organ dan jaringan lunak, mungkin memegang kunci untuk meningkatkan efisiensi mesin jet, menurut Letnan Kolonel Michael Benson, Ph.D. mahasiswa Teknik Mesin di Universitas Stanford.

Hanya dalam beberapa jam, MRI mengumpulkan data tiga dimensi tentang aliran dan pencampuran sebanyak metode konvensional yang membutuhkan dua tahun atau lebih pengukuran intensif. Hal ini menjanjikan untuk memangkas waktu yang dibutuhkan untuk mengembangkan dan menguji desain baru yang meningkatkan efisiensi dan kinerja, serta menjanjikan penghematan energi.

Benson menggunakan MRI untuk meningkatkan efisiensi mesin jet – pekerjaan yang dijelaskannya pada 17 November pada pertemuan American Physical Society Division of Fluid Dynamics (DFD) di Long Beach, California. Teknik ini juga dapat memberikan wawasan tentang masalah pencampuran cairan lainnya, mulai dari pembakaran hingga aliran minyak melalui batuan berpori di dalam sumur.

Studi Benson adalah salah satu yang pertama menggunakan MRI untuk mengumpulkan data aliran. Teknik ini dipelopori oleh peneliti Stanford Christopher Elkins dan John Eaton yang menggunakannya untuk mempelajari koloni karang dan bilah turbin. Eaton menyarankan agar Benson, yang saat ini berada di Angkatan Darat, menggunakan teknik tersebut untuk menganalisis pencampuran gas pembakaran panas dan pendinginan dalam turbin jet.

Mesin jet lebih efisien saat bekerja lebih panas. Bahkan, bilah-bilah di bagian hilir ruang bakar mesin bekerja sangat dekat dengan titik lelehnya. Untuk memaksimalkan efisiensi, tepi belakang bilah ini setipis silet.

"Jika Anda tidak mendinginkannya secara aktif, mereka akan meleleh," kata Benson.

Mesin turbin mendinginkan bilah dengan mengalihkan sebagian udara yang masuk ke dalam serangkaian saluran seperti ular yang mengalir melalui setiap bilah.

"Pada titik tertentu, bilah menjadi terlalu tipis untuk melakukan itu, sehingga mereka mengelupas beberapa kulit di ujung bilah dan membiarkan udara mengalir di sepanjang trailing edge," kata Benson.

Ketika udara yang lebih dingin keluar dari sudu, ia bercampur dengan udara panas dari ruang bakar, meningkatkan suhu permukaan sudu di atas suhu pendingin. Dengan menganalisis bagaimana campuran udara panas dan bypass, Benson berharap dapat mengoptimalkan desain bypass dan mengurangi jumlah cairan pendingin yang dibutuhkan. Ini akan meningkatkan performa mesin dan efisiensi bahan bakar.

Jenis analisis ini dimulai dengan mengukur suhu dan kecepatan aliran udara panas dan melewati saat mereka bercampur. Para peneliti melakukan ini dengan melepaskan partikel kecil, seperti pewarna fluoresen atau tetesan minyak dan memukulnya dengan laser. Ini menerangi partikel, yang posisinya tertangkap kamera berkecepatan tinggi. Komputer kemudian menganalisis gambar dan menghitung lokasi dan kecepatan partikel.

Sayangnya, kamera hanya menangkap area kecil, atau ubin, pada satu waktu. Mereka juga memiliki depth of field yang sangat sempit, kisaran jarak di mana foto cukup tajam untuk dianalisis. Akibatnya, semua ubin harus dijahit menjadi satu gambar bidang tunggal. Untuk memvisualisasikan eksperimen tiga dimensi, banyak bidang perlu dibuat dan dijahit bersama.

Ini membutuhkan waktu. "Saya kenal seorang mahasiswa PhD yang menghabiskan tiga tahun mengumpulkan data jenis ini," kata Benson.

MRI menangkap jumlah data yang sama dalam empat hingga delapan jam, lanjutnya. Ini karena MRI dirancang untuk mencitrakan objek tiga dimensi. Mereka melakukan ini dengan secara sistematis mengganggu proton dalam molekul hidrogen dengan pulsa elektromagnetik, dan mengukur lokasi mereka saat mereka dengan cepat menyelaraskan kembali dengan medan magnet.

Benson menggunakan imager MRI tingkat penelitian untuk menjalankan eksperimennya. MRI menggambarkan air yang dicampur dengan tembaga sulfat, bahan kimia berbiaya rendah yang sering digunakan untuk membunuh ganggang di kolam, yang memberikan respons cepat terhadap denyut nadi.

“MRI medis sering menggunakan gadolinium sebagai agen kontras, tetapi itu sangat mahal, terutama jika Anda memberi cairan untuk pemindaian yang berlangsung berjam-jam,” kata Benson.

Meskipun Benson masih menganalisis desain trailing edge blade, dia telah membuat kemajuan. "Saya sudah dapat meningkatkan pendinginan permukaan sebesar 10 persen, yang setara dengan penurunan suhu blade 100 hingga 150 derajat Fahrenheit," katanya.