大尺度Tesla阀渗流特性及应用于输水管廊的可行性研究
发布时间：2021-06-21 10:53
Tesla阀的双极性是其重要的渗流特性,也使得其在流体控制领域占有非常重要的地位。研究大尺度单级与多级Tesla阀的双极性,发现渗流非线性与Tesla阀两极性的关系,可以揭示Tesla阀的工作机理,对其应用于输水管廊等工程中的可行性具有重要意义。该文采用CFD计算软件对大尺度单级与多级Tesla阀进行了Re数从0.001到1 000的渗流模拟。研究结果表明:单级Tesla阀的放大比例不会影响其双极性;渗流的非线性导致了Tesla阀的双极性;Tesla阀中涡流的产生与发展是导致其非线性与双极性产生与发展的重要原因;多级Tesla阀的非线性与双极性比单级Tesla阀的更加显著;从而从机理上确定了大尺度Tesla阀应用于输水管廊的可行性。
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
45-R型Tesla阀模型示意图Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel
728水动力学研究与进展A辑2020年第6期单位，只表示比例关系(即在隙宽改变时，保证整个模型等比例放大，例如：隙宽为100mm时，整个模型长度为1827mm)，Tesla阀由三个部分组成:进口部分、分叉部分和出口部分，其中分岔部分由直线段和圆弧段组成，Tesla阀中的通道为等宽且比例参数为1。如图1所示，当流体从与分叉部分的直线段共线的通道进入Tesla阀时，称之为正向流动，相反当流体从另一端进入时，称之为反向流动。当流动方向改变时，进口部分和出口部分互换。图1T45-R型Tesla阀模型示意图Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel1.2数值模拟的基本设定T45-R型Tesla阀的结构简单，本文采用四边形单元对几何模型进行离散化，为了消除网格大小对数值模拟精度的影响，本文采用的单元边长为隙宽的1/20即0.05，如图2所示。图2(网上彩图)Tesla阀模型的网格剖分图Fig.2(Coloronline)MeshsectionofTeslavalvemodelTesla阀中水的流动采用动量守恒的N-S方程和质量守恒的连续性方程两个方程共同进行控制。在稳定状态下的不可压缩牛顿流体的动量守恒与质量守恒方程分别可写成2uuPu(1)u=0(2)式中：ρ为密度，u为速度矢量，μ为黏度，P为总压力，为哈密顿算子，2为拉普拉斯算子。为了模拟水流在Tesla阀中的流动，参考Truong等[7]、Zhang等[8]与Thompson等[14]所用流体计算软件，本文同样采用基于FVM代码开发的专业流体计算软件Fluent16.0进行分析[16]。为了对比研究相同Re数下Tesla阀正向与反向渗流的差异性，不管是正向渗流还是反向渗流，入口边界都采用速度边界，?
)；在Re>10时，Tesla阀的k/k0随着Re数的增加而逐渐减小，不再满足立方定律，进入到了非达西渗流阶段(也称为非线性渗流阶段)。对于T45-R型Tesla阀而言，不同尺度下Tesla阀正向的k/k0都重合，反向的k/k0也都重合，虽然Tesla阀模型尺寸有量级变化，但在非线性渗流阶段正向(或反向)的非线性程度是一致的。这也说明Tesla阀的进入非线性渗流的Re数与非线性程度都不会随尺度的改变而改变，这使得大尺度Tesla阀应用于输水管廊时，基本渗流特性不变。图3(网上彩图)不同隙宽单级Tesla阀正向与反向渗流下相对渗透系数k/k0随Re数的变化Fig.3(Coloronline)Relativepermeabilitycoefficientk/k0withRenumberinthedirectionofpositiveandreverseflowofsinglestageTeslavalvewithdifferentgapwidth2.2单级Tesla阀的两极性Tesla阀的双极性是指正反渗流特性不一致，一般采用压差比Di进行表征，压差比Di[14]定义如下rfQPDiP(5)表示为同一流量Q下反向出入口压差rP与正向出入口压差fP的比值。对于本文从Re数定义可知，同一流量Q即为同一Re数，进而通过统计正反向出入口的压差，即可得到Re从0.001到1000的压差比Di，并将不同隙宽Tesla阀压差比Di与Re数之间的关系绘制于图4。并与Forster等[18]的实验结果进行对比，Forster等只做了几组较大Re数的实验，其范围也不能反应Tesla阀两极性的产生与发展的全过程。Forster等的结果要大于本文结果，这主要是由于其采用的隙宽为114μm，高度为60μm的3DTesla阀，而本文采?
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米流体在微尺度特斯拉阀中流动的数值研究（英文）[J]. Jin-yuan QIAN,Min-rui CHEN,Xue-ling LIU,Zhi-jiang JIN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(01)
[2]Tesla型不可动微阀拓扑优化设计研究[J]. 徐一凡,林森,邓永波,刘震宇. 计算机仿真. 2014(03)
本文编号：3240550
【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
45-R型Tesla阀模型示意图Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel
728水动力学研究与进展A辑2020年第6期单位，只表示比例关系(即在隙宽改变时，保证整个模型等比例放大，例如：隙宽为100mm时，整个模型长度为1827mm)，Tesla阀由三个部分组成:进口部分、分叉部分和出口部分，其中分岔部分由直线段和圆弧段组成，Tesla阀中的通道为等宽且比例参数为1。如图1所示，当流体从与分叉部分的直线段共线的通道进入Tesla阀时，称之为正向流动，相反当流体从另一端进入时，称之为反向流动。当流动方向改变时，进口部分和出口部分互换。图1T45-R型Tesla阀模型示意图Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel1.2数值模拟的基本设定T45-R型Tesla阀的结构简单，本文采用四边形单元对几何模型进行离散化，为了消除网格大小对数值模拟精度的影响，本文采用的单元边长为隙宽的1/20即0.05，如图2所示。图2(网上彩图)Tesla阀模型的网格剖分图Fig.2(Coloronline)MeshsectionofTeslavalvemodelTesla阀中水的流动采用动量守恒的N-S方程和质量守恒的连续性方程两个方程共同进行控制。在稳定状态下的不可压缩牛顿流体的动量守恒与质量守恒方程分别可写成2uuPu(1)u=0(2)式中：ρ为密度，u为速度矢量，μ为黏度，P为总压力，为哈密顿算子，2为拉普拉斯算子。为了模拟水流在Tesla阀中的流动，参考Truong等[7]、Zhang等[8]与Thompson等[14]所用流体计算软件，本文同样采用基于FVM代码开发的专业流体计算软件Fluent16.0进行分析[16]。为了对比研究相同Re数下Tesla阀正向与反向渗流的差异性，不管是正向渗流还是反向渗流，入口边界都采用速度边界，?
)；在Re>10时，Tesla阀的k/k0随着Re数的增加而逐渐减小，不再满足立方定律，进入到了非达西渗流阶段(也称为非线性渗流阶段)。对于T45-R型Tesla阀而言，不同尺度下Tesla阀正向的k/k0都重合，反向的k/k0也都重合，虽然Tesla阀模型尺寸有量级变化，但在非线性渗流阶段正向(或反向)的非线性程度是一致的。这也说明Tesla阀的进入非线性渗流的Re数与非线性程度都不会随尺度的改变而改变，这使得大尺度Tesla阀应用于输水管廊时，基本渗流特性不变。图3(网上彩图)不同隙宽单级Tesla阀正向与反向渗流下相对渗透系数k/k0随Re数的变化Fig.3(Coloronline)Relativepermeabilitycoefficientk/k0withRenumberinthedirectionofpositiveandreverseflowofsinglestageTeslavalvewithdifferentgapwidth2.2单级Tesla阀的两极性Tesla阀的双极性是指正反渗流特性不一致，一般采用压差比Di进行表征，压差比Di[14]定义如下rfQPDiP(5)表示为同一流量Q下反向出入口压差rP与正向出入口压差fP的比值。对于本文从Re数定义可知，同一流量Q即为同一Re数，进而通过统计正反向出入口的压差，即可得到Re从0.001到1000的压差比Di，并将不同隙宽Tesla阀压差比Di与Re数之间的关系绘制于图4。并与Forster等[18]的实验结果进行对比，Forster等只做了几组较大Re数的实验，其范围也不能反应Tesla阀两极性的产生与发展的全过程。Forster等的结果要大于本文结果，这主要是由于其采用的隙宽为114μm，高度为60μm的3DTesla阀，而本文采?
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米流体在微尺度特斯拉阀中流动的数值研究（英文）[J]. Jin-yuan QIAN,Min-rui CHEN,Xue-ling LIU,Zhi-jiang JIN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(01)
[2]Tesla型不可动微阀拓扑优化设计研究[J]. 徐一凡,林森,邓永波,刘震宇. 计算机仿真. 2014(03)
本文编号：3240550
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