Citra MRI Mempercepat Penelitian Efisiensi Mesin Jet
Magnetic resonance imaging (MRI), teknologi citra medis yang menangkap data 3 dimensi rinci dari cairan bergerak, siap untuk mengubah desain mesin jet, kata Lt. Colonel Michael Benson, calon Ph.D. dalam Mechanical Engineering di Stanford University.
Dalam satu pemindaian MRI, peneliti dapat memperoleh data aliran volumetrik dan pencampuran yang sama yang 전통nya memerlukan dua tahun atau lebih dari percobaan di darat—yang sangat menyusutkan siklus pengembangan dan memungkinkan optimasi cepat kinerja turbin.
Benson pertama kali memperkenalkan konsep ini pada rapat American Physical Society Division of Fluid Dynamics di Long Beach, Calif., pada 17 November. Dia menjelaskan bahwa MRI dapat memberikan wawasan tentang berbagai tantangan pencampuran cairan, dari kimia pembakaran hingga transportasi minyak melalui batu poros.
Karya ini didasarkan pada studi pionir oleh peneliti Stanford Christopher Elkins dan John Eaton, yang menggunakan MRI untuk memeriksa koloni terumbu karang dan blad turbin. Eaton menyarankan Benson untuk menerapkan teknik ini pada pencampuran gas pembakaran panas dan udara bypass yang lebih dingin di dalam turbin mesin jet. Mesin jet beroperasi paling efisien pada suhu tertinggi yang mungkin, tetapi ini mendorong blad turbin—terutama yang tepat di bawah pembakar—mendekati titik lelehnya. Untuk mencegahnya meleleh, ujung trailing dari blad ini diproduksi sangat tipis.
“Jika Anda tidak mendinginkan secara aktif, mereka meleleh,” jelaskan Benson. “Mesin turbin mengalirkan sebagian udara masuk ke dalam saluran seperti ular yang melalui setiap blad, memberikan pendinginan. Ketika blad terlalu tipis, mereka melepas kulit tipis di ujung dan membiarkan udara mengalir di atas trailing edge.”
Ketika udara yang lebih dingin keluar dari blad, ia bercampur dengan udara pembakar panas, meningkatkan suhu permukaan blad di atas suhu pendingin. Dengan memetakan proses pencampuran ini, Benson berharap menyempurnakan desain bypass dan mengurangi jumlah pendingin yang diperlukan, sehingga meningkatkan kinerja mesin dan efisiensi bahan bakar.
Tradisionalnya, peneliti mengukur suhu dan kecepatan aliran udara pembakar dan bypass dengan membenamkan aliran dengan pewan fluorescent atau titik minyak, meneranginya dengan laser, dan merekam geraknya dengan kamera high-speed. Lapangan pandang yang terbatas dan kedalaman lapang yang dangkal berarti banyak tegak citra harus dijahit bersama untuk membentuk satu bidang, dan puluhan bidang diperlukan untuk merekonstruksi eksperimen tiga dimensi—proses yang memakan waktu.
“Saya tahu satu mahasiswa Ph.D. yang menghabiskan tiga tahun untuk mengumpulkan tipe data ini,” kata Benson. “MRI dapat menangkap volume data yang sama dalam empat hingga delapan jam.”
MRI mencapai ini dengan mengganggu proton dalam molekul hidrogen dengan pulsa elektromagnetik dan mengukur realineasi cepat mereka dengan medan magnet, memberikan citra volumetrik dari medan aliran.
Untuk eksperimennya, Benson menggunakan imager MRI grade penelitian dan mencitrakan air dicampur sulfat tembaga—kimia murah yang bereaksi cepat terhadap pulsa MRI. MRI medis sering bergantung pada gadolinium sebagai agen kontras, tetapi itu mahal untuk pemindaian yang berlangsung berjam-jam.
Meskipun masih menyempurnakan desain ujung trailing blad, Benson melaporkan keberhasilan awal: peningkatan pendinginan permukaan sebesar 10 persen, yang diterjemahkan menjadi pengurangan suhu blad 100-150 °F.
