ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ 
ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ РАО
АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДСКОГО ОКРУГА ТРОИЦК В ГОРОДЕ МОСКВЕ 
РЕГИОНАЛЬНЫЙ ОБЩЕСТВЕННЫЙ ФОНД НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ «БАЙТИК»
АНО «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ» 
 XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
 «ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ»  
«ИТО-Троицк-2014»
25-26 июня 2014 года, г.Москва, г.о. Троицк

Компьютерное моделирование кавитации в ультразвуковой форсунке

Автор: Коровянская Анастасия Денисовна, Золотая медаль "Учёные будущего - 2013", серебряная медаль SIEMENS-2014 (ЦФО), серебряная медаль Санкт-Петербургского гос. политехнического университета, медаль финалиста конкурса Intel-ISEF-2014 (Лос-Анджелес, Калифорния, США), дипломы "Юниор", "Шаг в будущее, Москва", "Сухой", "Система приоритетов" и др., гранты "Лифт в будущее", "Сухой", SIEMENS, "Физика и образование".
Муниципальное общеобразовательное учреждение "Гимназия №5" города Юбилейного Московской области
При изучении работы ультразвуковой форсунки надо было выполнить математическое моделирование процесса распыления жидкости. Теоретически удалось сформулировать задачу, но решить её точными методами оказалось невозможно. Для решения задачи было применено компьютерное моделирование с учётом реальных физических процессов. Теоретический результат полностью подтвердился фотографиями и видеосъёмкой.

Традиционные форсунки для распыления топлива в тепловых двигателях и нагревателях исчерпали свои возможности, потому что не позволяют получить размер капелек менее 10 мкм. Реально на практике размер капелек распылённого топлива оценивается в 100 мкм, то есть 0,1 мм. При размере 80 мкм дизельные двигатели "захлёбываются" начинают очень сильно дымить. При большом размере капелек, то есть при плохой работе форсунки, топливо сгорает не полностью, увеличивается расход топлива, повышаются экономические затраты на заправку двигателей, увеличивается нагар на поршнях, выбрасываются токсичные вещества. В ближайшее время планируется переход на экологический стандарт ЕВРО-4, а затем и на ЕВРО-5. Но такие переходы возможны только при качественном распылении топлива форсункой.

В России Государственными стандартами предусмотрены два вида форсунок - гидравлические и пневматические. В гидравлических форсунках энергия для распыления подводится  к жидкости, а в пневматических - к газу. По-моему, этот стандарт устарел. Предлагаю внедрить в практику новый тип форсунок, у которых в существующем стандарте нет названия, потому что в них энергия для распыления подводится непосредственно к конструкции форсунки, а не к жидкости или газу. Действующий макет такой форсунки создан, работает. Процесс распыления жидкости основан на ультразвуковых колебаниях магнитострикционного стрежня [1]. Магнитострикция - это явление изменения размеров тела в магнитном поле. Если магнитное поле в соленоиде изменять достаточно быстро, с ультразвуковой частотой 20-40 кГц, то магнитострикционный стержень в соленоиде будет изменять свою длину с такой же частотой. Если на торцевую часть колеблющегося стержня попадает капелька жидкости, то она будет разорвана на мельчайшие брызги в виде тумана.

Простейшим опытом более сильного распыления жидкости является помещение магнитострикционного излучателя в стеклянную сферическую колбу из кабинета химии [2]. Если диаметр колбы подобрать так, что излучаемый ультразвук в ней будет резонировать, то получится сразу два резонанса. Первый резонанс – это колебания магнитострикционного излучателя в соленоиде. Этот резонанс известен, изучен, демонстрируется. Однако изучить  этот резонанс придётся отдельно, потому что он должен полностью совпадать со вторым резонансом. Второй резонанс – это ультразвуковые колебания воздуха или топливной смеси в замкнутом объёме. Этот резонанс тоже известен. Однако совместное одновременное действие указанных двух резонансов в научной литературе не найдено. Если оба резонанса имеют одинаковую частоту, то жидкость будет распыляться не только излучателем ультразвука, но и стоячей волной в замкнутом пространстве, например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

При изучении процесса распыления жидкости ультразвуковой форсункой надо было измерить размер капелек [3]. Первые опыты сразу показали, что размер капелек уменьшается от 100 мкм до 30 мкм. Затем были проведены более точные оценки, которые позволили утверждать, что достигнут размер 5-10 мкм. Наконец, самые последние измерения показали возможность получить размер капелек тумана 0,5-1 мкм. Размер 500 нм - это уже область нанотехнологий [4].

В процессе изучения работы форсунки был отмечен следующий парадокс. Казалось бы, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости надо уменьшать различными присадками, чтобы уменьшить затраты на поверхностную энергию. Но практика показала обратное - не уменьшать, а увеличивать. Капля на торце стержня не должна растекаться, но должна быть выпуклой формы.

Появилась задача моделирования процессов в такой капле, вибрирующей на торце стержня. Для решения задачи был применён известный физико-математический аппарат законов сохранения импульса и энергии. Капля была разделена на тонкие горизонтальные слои, масса которых уменьшается к верхней части. Нижний тяжёлый слой сталкивается с верхним более лёгким, поэтому скорость жидкости возрастает, а давление уменьшается. Но давление может уменьшаться только до давления насыщенного пара при заданной температуре, потом произойдёт кавитация. Этот процесс был смоделирован на компьютере. Была получена зависимость возрастания скорости капли при переходе от нижнего слоя, соприкасающегося с вибрирующей торцевой поверхностью стержня, к верхнему. Около полярной области полушаровой капли теоретически был предсказан процесс кавитации.

Для практического подтверждения правильности теоретических предпосылок были выполнены фотографии процесса распыления капли на торце магнитострикционного ультразвукового стержня. Эти фотографии полностью подтвердили выводы теоретического и компьютерного моделирования.  Как показало компьютерное моделирование, в полярной области должна возникнуть математическая сингулярность. Физически это означает процесс кавитации, образование кавитационной воронки с выбросом жидкости в виде мельчайших капелек тумана. Фотографирование и видеосъёмка позволили утверждать, что размер капелек часто был менее 1 мкм. Цель достигнута. Следующий этап - внедрение.

Список использованных источников
  1. Майер В.В., Вараксина Е.И. Звук и ультразвук в учебных исследованиях: Учебное пособие. – Изд.2-е. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 336 с.
  2. 2. Коровянская А.Д., Лебедев В.В. Ультразвуковой распылитель топлива с двойным резонансом / Материалы Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования». Актуальные проблемы преподавания физики в ВУЗах и школах стран постсоветсткого пространства // Под ред. проф. Г.Г.Спирина. – М: Издательский дом Академии им. Н.Е.Жуковского, 2013. – 184 с. – ISBN 978-5-903111-61-9 – С.71-74.
  3. Коровянская А.Д. Ультразвуковоая форсунка с двойным резонансом для тепловых двигателей / Сборник тезисов 2-й Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки – 2013». – Отв. ред. А.В.Герасимов. (Электронный ресурс) – Казань: СМУиС, 2013. – ISSN 2227-8389. – С.844-845.
  4. Коровянская А.Д. Тепловой наноструктурный аккумулятор на фракталах Коха // Конкурс научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики – 2012» / Аннотации работ. – М.: Московский авиационный институт, 30 октября 2012. – ISBN 978-5-905-176-15-9. – С.132-134. – Грант от фонда «Лифт в будущее».
Вид представления доклада  Устное выступление и публикация
Уровень  Среднее (полное) общее образование
Ключевые слова  Ультразвук, форсунка, кавитация, компьютерное моделирование

В статусе «Черновик» Вы можете производить с тезисами любые действия.

В статусе «Отправлено в Оргкомитет» тезисы проходят проверку в Оргкомитете. Статус «Черновик» может быть возвращен тезисам либо если есть замечания рецензента, либо тезисы превышают требуемый объем, либо по запросу участника.

В статусе «Рекомендован к публикации» тезис публикуется на сайте. Статус «Черновик» может быть возвращен либо по запросу участника, либо при неоплате публикации, если она предусмотрена, либо если тезисы превышают требуемый объем.

Статус «Опубликован» означает, что издана бумажная версия тезиса и тезис изменить нельзя. В некоторых крайне редких ситуацих участник может договориться с Оргкомитетом о переводе тезисов в статус «Черновик».

Статус «Отклонен» означает, что по ряду причин, которые указаны в комментариях к тезису, Оргкомитет не может принять тезисы к публикации. Из отклоненных тезис в «Черновики» может вернуть только Председатель программного или председатель оргкомитета.