Kandidat EPFL PhD dalam rekayasa mesin telah mengembangkan perangkat pintar yang secara signifikan meredam getaran yang diinduksi aliran yang disebabkan oleh bagian yang berputar, seperti yang ada di baling-baling kapal, turbin, dan pompa hidrolik. Perangkatnya dapat diproduksi dengan printer 3D dan baru -baru ini dipatenkan.
Ini adalah kasus klasik keberuntungan pemula. Thomas Berger baru saja memulai gelar PhD di bidang teknik mesin di Sekolah Teknik EPFL ketika ia membuat penemuannya yang sekarang paten, yang telah diterbitkan. Tesisnya dibangun di atas pekerjaan yang telah ia mulai sebagai siswa master, tetapi dengan bantuan printer 3D. Hal ini menyebabkan teknologi yang menjanjikan yang sekarang menarik minat dari investor.
Berger melakukan penelitian di laboratorium yang dipimpin oleh Mohamed Farhat, yang mempelajari dinamika cairan yang kompleks untuk aplikasi termasuk perahu layar dan turbin tenaga air. “Turbin menciptakan tantangan khusus dari perspektif ilmiah dan teknik,” kata Farhat, yang juga mengawasi tesis Berger. “Kami bertujuan untuk mengatasi tantangan-tantangan itu dengan menjalankan eksperimen pada peralatan besar kami. Tantangan terbesar berkaitan dengan getaran yang diinduksi aliran, yang merupakan masalah utama bagi perancang turbin serta operator.” Kunci sistem Berger adalah menghilangkan vortisitas yang menyebabkan banyak getaran.
Vortisitas Karman yang kuat
Vortisitas terbentuk ketika cairan seperti udara atau air mengalir di atas rintangan. Mereka diciptakan oleh hal -hal seperti sayap pesawat, feri yang bersilangan Danau Jenewa dan gedung pencakar langit Burj Khalifa di Dubai. Setelah fluida mulai mengalir di atas rintangan pada kecepatan tertentu, vortisitas bergantian dibuat di belakang rintangan yang memberikan tekanan berosilasi pada permukaannya, menghasilkan getaran. Vortisitas ini bisa sangat kuat dan merusak turbin atau bahkan jembatan, seperti yang terjadi dengan jembatan Tacoma Narrows di AS pada tahun 1940. Mereka pertama kali diidentifikasi oleh insinyur Theodore von Kármán pada tahun 1911 dan sekarang dikenal sebagai vortisitas Kármán.
Ketika Gustave Eiffel membangun menara setinggi 330 meter di Paris pada tahun 1887, vortisitas Kármán belum ditemukan. “Struktur berpori menara tidak diragukan lagi apa yang menyelamatkannya,” kata Farhat. “Struktur itu mengurangi pembentukan vortisitas yang kuat. Itu benar -benar keberuntungan!” Bahkan, porositas inilah yang memberi Berger ide untuk penelitiannya.
Insinyur telah merancang berbagai solusi untuk melemahkan vortisitas Kármán, seperti dengan meruncing tepi trailing bilah turbin tempat vortisitas terbentuk. Solusi ini telah terbukti efektif untuk berbagai tingkat tetapi tidak sepenuhnya menghilangkan masalah.
Struktur pengisi yang ringan dan kokoh
“Untuk saat ini, teori saja tidak akan membiarkan kita memprediksi besarnya getaran yang akan disebabkan oleh konfigurasi yang diberikan,” kata Berger. Itu sebabnya ia memutuskan untuk menggunakan pendekatan eksperimental untuk menemukan desain optimal untuk perangkat pengurangan pusarannya. Menggambar pada keahliannya dalam pencetakan 3D, ia memproduksi dan menguji berbagai bentuk dan bahan, menghabiskan berjam -jam dalam prosesnya. Dia akhirnya menemukan bentuk geometris yang bekerja dengan sangat baik. “Ini adalah bentuk yang menarik yang berasal dari matematika tetapi juga memiliki sifat mekanik yang sangat berguna,” kata Berger. Bentuknya dikenal sebagai a Gyroid – 3D Struktur yang terdiri dari permukaan melengkung kontinu yang tidak hanya berpori dan berliku tetapi juga ringan dan kokoh.
Untuk menguji gyroid, ia menempelkan plastik-resin yang telah dicetak 3D ke tepi trailing bilah baja dan menjalankan eksperimen di terowongan skala kecil. Hasilnya adalah nol pembentukan vortex – dan oleh karena itu tidak ada getaran yang diinduksi vortex. “Bentuk khusus ini menggigit formasi vortex di kuncup!” kata farhat. “Dan itu tidak mengubah kinerja blade.” Berger membuat penemuannya dengan menggabungkan matematika dengan pengkodean dan pemodelan komputer 3D.
Namun ada pertanyaan besar: Bagaimana gyroid mencegah vortisitas terbentuk? “Saya melakukan tesis saya sedikit mundur – saya mulai dengan menemukan solusinya dan sekarang saya sedang bekerja untuk menemukan alasan ilmiah mengapa itu berhasil,” kata Berger.
Saat ini, investor tertarik pada teknologinya yang menjanjikan. Langkah selanjutnya adalah menguji gyroid dalam kondisi yang lebih rumit, seperti yang ada di dalam turbin.
Referensi
“Gyroid sebagai pendekatan baru untuk menekan pelepasan vortex dan mengurangi getaran yang diinduksi”, Berger, T. dan Farhat, M., Laporan Ilmiah 15, 25777 (2025).
