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Pesquisadores querem aplicar visualização óptica de fluxo para testes de motores a jato

Imagem: Arnold Air Force Base

Trabalhando em conjunto com uma empresa local e profissionais acadêmicos do Instituto Espacial da Universidade do Tennessee (UTSI), os membros da equipe do Complexo Arnold de Desenvolvimento de Engenharia (AEDC) da Base Arnold da Força Aérea dos Estados Unidos estão estudando técnicas de medição óptica em testes em solo para avaliar melhor as características de exaustão de motores com turbina.

“A Força Aérea dos EUA está desenvolvendo novos motores de turbina que apresentam desafios especiais durante os testes em solo, como aquecimento de células de teste e acústica”, disse o capitão Brian Gatzke, da Divisão de Testes de Propulsão do AEDC. “Se medições de baixo custo e não intrusivas pudessem ser feitas para entender melhor a interação do gás de exaustão com a célula de teste, os programas de teste se beneficiariam de testes mais eficientes e análise mais completa do sistema.”

A equipe da Divisão de Testes de Propulsão entrou em contato com a Non-Contact Technologies (NCT), uma pequena empresa em Tullahoma, e o UTSI para recomendar métodos de medição apropriados para uso em células de teste. Em 2020, NCT e UTSI foram premiados com a Fase I da Transferência de Tecnologia de Pequenos Negócios, ou STTR, para atender à necessidade da AEDC.

Durante a Fase I, NCT e UTSI exploraram técnicas de medição que seriam ideais para o ambiente hostil da célula de teste. Como o projeto produziu resultados favoráveis, um projeto subsequente da Fase II foi concedido em 2021 para continuar o trabalho em maior escala para duas técnicas de medição diferentes.

Uma das técnicas não intrusivas que estão sendo utilizadas por pesquisadores do UTSI para diagnóstico óptico em seus túneis de vento supersônicos e hipersônicos é a interferometria diferencial a laser focada, ou FLDI. A FLDI mede distúrbios de densidade em fluxos compressíveis por meio de padrões de luz diferencial, gerados a partir de lasers focados configurados para interferir um no outro.

Imagem: Arnold Air Force Base

“O laboratório do UTSI configurou uma série de lentes, prismas e filtros para medir o conteúdo turbulento e acústico de um jato gerado em um equipamento de teste”, disse Theron Price, doutorando do UTSI. “O jato de alta velocidade representa a exaustão do motor em menor escala. Com um sistema FLDI, você pode medir a amplitude e a frequência dos distúrbios dentro ou ao redor de uma pluma de exaustão. Ao apontar um laser através da pluma, você pode capturar as flutuações na densidade dentro da pluma e pode até estimar as escalas locais de velocidade turbulenta. Ao apontar o laser para fora da pluma, você pode capturar a acústica do fluxo externo da pluma.”

A outra técnica de medição recomendada pela NCT e UTSI é a grafia de sombra retrorreflexiva (“retroreflective shadowgraph”).

“Esta técnica leva a imagem de sombra tradicional a uma escala maior e com uma configuração simples que pode ser facilmente implantada em campo”, disse o Dr. Phil Kreth, professor assistente do UTSI. “O sistema de sombras retrorrefletivas produz imagens formadas pela sombra de um objeto ou por distúrbios de fluxo em uma superfície refletiva.”

Imagem: Arnold Air Force Base

A luz na imagem é focalizada de tal maneira através da pluma de exaustão que a luz refratada aparece para uma câmera como regiões claras e escuras, que variam de acordo com a densidade do ar na pluma.

“Ao usar câmeras de alta velocidade com o sistema, podemos visualizar os padrões de fluxo nas plumas e os campos acústicos ao redor em taxas muito altas”, disse Kreth.

As demonstrações de grafia de sombra foram realizadas no UTSI e depois em maior escala em células de teste no AEDC.

“A técnica de visualização de fluxo óptico tem sido usada por muitos anos em testes de túnel de vento”, disse Gatze. “Agora, estamos analisando como podemos usá-la para testes e pesquisas de motores a jato.”

De acordo com Terry Hayes, diretor de tecnologia da NCT, o objetivo da Fase I é desenvolver uma técnica que possa beneficiar não apenas as organizações de teste e pesquisa do Departamento de Defesa, mas também a indústria comercial.

“O UTSI liderou o desenvolvimento de técnicas de medição de vazão não intrusivas e implantáveis ​​em campo e metodologia de redução de dados associada”, disse Hayes. “Além disso, nossa equipe da NCT tem experiência no lado da análise dinâmica de dados e pode trazer a produção de equipamentos robustos e prontos para o campo e experiência de medição não intrusiva para a mesa. Trabalhando juntos, nosso objetivo é criar uma solução que dê ao AEDC e às principais partes interessadas da Força Aérea uma capacidade que atenda às suas necessidades de pesquisa em testes de bocais de exaustão e também forneça um sistema implantável que possa ser usado em campo ou uma célula de teste de altitude para atender às necessidades de seus clientes.”

Informações da Base Arnold da Força Aérea dos EUA

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