Imagem por Ressonância Magnética Acelera Pesquisa de Eficiência de Motores a Jato

A imagem por ressonância magnética (MRI), uma tecnologia de imagem médica que captura dados 3-dimensionais detalhados de fluidos em movimento, está pronta para transformar o design de motores a jato, diz o Tenente-Coronel Michael Benson, candidato a Ph.D. em Engenharia Mecânica na Universidade de Stanford.

Em uma única varredura MRI, pesquisadores podem adquirir os mesmos dados volumétricos de fluxo e mistura que tradicionalmente levam dois ou mais anos de experimentos em solo — encurtando drasticamente ciclos de desenvolvimento e permitindo otimização rápida de desempenho de turbinas.

Benson apresentou o conceito pela primeira vez na reunião da Divisão de Dinâmica de Fluidos da American Physical Society em Long Beach, Calif., em 17 de novembro. Ele explica que o MRI pode fornecer insights em uma ampla gama de desafios de mistura de fluidos, da química de combustão ao transporte de óleo através de rocha porosa.

Seu trabalho baseia-se em estudos pioneiros dos pesquisadores de Stanford Christopher Elkins e John Eaton, que usaram MRI para examinar colônias de coral e pás de turbina. Eaton sugeriu que Benson aplicasse a técnica à mistura de gases de combustão quentes e ar de bypass mais frio dentro de turbinas a jato.

Motores a jato operam de forma mais eficiente nas temperaturas mais altas possíveis, mas isso empurra as pás da turbina — especialmente aquelas logo a jusante do combustor — perto de seus pontos de fusão. Para evitá-las de derreter, as bordas de fuga dessas pás são fabricadas extremamente finas.

"Se você não as resfriar ativamente, elas derretem", explica Benson. "Motores de turbina desviam parte do ar de entrada em passagens serpentinas que passam por cada pá, fornecendo resfriamento. Quando as pás ficam muito finas, elas perdem uma pele fina na ponta e deixam o ar fluir sobre a borda de fuga."

Quando o ar mais frio sai da pá, ele se mistura com o ar quente do combustor, elevando a temperatura da superfície da pá acima da temperatura do refrigerante. Mapeando este processo de mistura, Benson espera refinar o design de bypass e reduzir a quantidade de refrigerante necessária, aumentando assim o desempenho do motor e a eficiência de combustível.

Tradicionalmente, pesquisadores medem temperatura e velocidade dos fluxos de ar quente e de bypass semeando o fluxo com corantes fluorescentes ou gotículas de óleo, iluminando-os com laser e registrando seu movimento com câmeras de alta velocidade. O campo de visão limitado e profundidade de campo rasa significam que muitos ladrilhos de imagem devem ser costurados para formar um único plano, e dezenas de planos são necessários para reconstruir um experimento tridimensional — um processo que consome tempo.

"Conheço um estudante de Ph.D. que gastou três anos coletando este tipo de dados", diz Benson. "O MRI pode capturar o mesmo volume de dados em quatro a oito horas."

O MRI consegue isso perturbando prótons em moléculas de hidrogênio com um pulso eletromagnético e medindo seu realinhamento rápido com o campo magnético, fornecendo imagem volumétrica do campo de fluxo.

Para seus experimentos, Benson usa um imageador MRI de nível de pesquisa e imagem água misturada com sulfato de cobre — um químico de baixo custo que reage rapidamente aos pulsos MRI. MRIs médicos frequentemente dependem de gadolínio como agente de contraste, mas isso é caro para varreduras que duram horas.

Embora ainda refinando designs de borda de fuga de pás, Benson relata um sucesso inicial: um aumento de 10 por cento no resfriamento de superfície, traduzindo-se em uma redução de 100-150 °F na temperatura da pá.