喷气发动机太热？安排 MRI

磁共振成像 (MRI) 是一种用于对器官和软组织成像的医学成像技术，它可能是提高喷气发动机效率的关键，博士迈克尔本森中校说。斯坦福大学机械工程系学生。

在短短几个小时内，MRI 可以收集到与需要两年或更长时间密集测量的传统方法一样多的关于流动和混合的三维数据。这有望缩短开发和测试可提高效率和性能的新设计所需的时间，并有望实现节能。

Benson 正在使用 MRI 来提高喷气发动机的效率——他在 11 月 17 日在加利福尼亚州长滩举行的美国物理学会流体动力学分会 (DFD) 会议上描述了这项工作。该技术还可以提供对其他流体混合问题的见解，从燃烧到油通过井中多孔岩石的流动。

Benson 的研究是最早使用 MRI 收集流量数据的研究之一。该技术由斯坦福大学的研究人员克里斯托弗·埃尔金斯和约翰·伊顿开创，他们用它来研究珊瑚群和涡轮叶片。伊顿建议现服役于陆军的本森使用该技术分析喷气涡轮机中热燃烧气体和冷却气体的混合。

喷气发动机在运行温度更高时效率更高。事实上，发动机燃烧室下游的叶片非常接近它们的熔点。为了最大限度地提高效率，这些刀片的后缘非常薄。

“如果你不主动冷却它们，它们就会融化，”本森说。

涡轮发动机通过将一些进入的空气分流到一系列贯穿每个叶片的蛇形通道来冷却叶片。

“在某些时候，叶片变得太薄而无法做到这一点，所以它们会剥掉叶片末端的一些皮肤，让空气流过后缘，”本森说。

当较冷的空气离开叶片时，它会与来自燃烧器的热空气混合，将叶片表面的温度提高到冷却剂温度以上。通过分析热空气和旁路空气的混合方式，Benson 希望优化旁路设计并减少所需的冷却剂用量。这将提高发动机性能和燃油效率。

这种类型的分析首先测量热气流和旁路气流混合时的温度和速度。研究人员通过释放小颗粒（如荧光染料或油滴）并用激光击中它们来做到这一点。这照亮了粒子，其位置被高速相机捕捉到。然后计算机分析图片并计算粒子的位置和速度。

不幸的是，相机一次只能捕捉一小块区域或瓷砖。它们还具有非常窄的景深，即照片足够清晰以进行分析的距离范围。因此，所有的瓷砖必须拼接在一起，形成一个平面的图片。为了将 3D 实验可视化，需要生成多个平面并将其拼接在一起。

这需要时间。 “我认识一位博士生，他花了三年时间收集此类数据，”本森说。

他继续说，核磁共振成像在四到八小时内捕获了相同数量的数据。这是因为 MRI 旨在对三维物体进行成像。他们通过用电磁脉冲系统地扰乱氢分子内的质子，并在它们与磁场快速重新对齐时测量它们的位置来做到这一点。

Benson 使用研究级 MRI 成像仪来运行他的实验。 MRI 对混合有硫酸铜的水进行成像，硫酸铜是一种低成本化学品，常用于杀死池塘中的藻类，可对脉冲做出快速响应。

“医学 MRI 通常使用钆作为造影剂，但这确实很昂贵，特别是如果您要为持续数小时的扫描提供液体，”本森说。

尽管 Benson 仍在分析叶片后缘设计，但他已经取得了进展。 “我已经能够将表面冷却提高 10%，这相当于将叶片温度降低 100 到 150 华氏度，”他说。