Tesla閥的雙極性是其重要的滲流特性,也使得其在流體控制領(lǐng)域占有非常重要的地位。研究大尺度單級與多級Tesla閥的雙極性,發(fā)現(xiàn)滲流非線性與Tesla閥兩極性的關(guān)系,可以揭示Tesla閥的工作機理,對其應(yīng)用于輸水管廊等工程中的可行性具有重要意義。該文采用CFD計算軟件對大尺度單級與多級Tesla閥進行了Re數(shù)從0.001到1 000的滲流模擬。研究結(jié)果表明:單級Tesla閥的放大比例不會影響其雙極性;滲流的非線性導致了Tesla閥的雙極性;Tesla閥中渦流的產(chǎn)生與發(fā)展是導致其非線性與雙極性產(chǎn)生與發(fā)展的重要原因;多級Tesla閥的非線性與雙極性比單級Tesla閥的更加顯著;從而從機理上確定了大尺度Tesla閥應(yīng)用于輸水管廊的可行性。 

【文章來源】：水動力學研究與進展（A輯）. 2020,35(06)北大核心CSCD

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45-R型Tesla閥模型示意圖Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel

728水動力學研究與進展A輯2020年第6期單位，只表示比例關(guān)系(即在隙寬改變時，保證整個模型等比例放大，例如：隙寬為100mm時，整個模型長度為1827mm)，Tesla閥由三個部分組成:進口部分、分叉部分和出口部分，其中分岔部分由直線段和圓弧段組成，Tesla閥中的通道為等寬且比例參數(shù)為1。如圖1所示，當流體從與分叉部分的直線段共線的通道進入Tesla閥時，稱之為正向流動，相反當流體從另一端進入時，稱之為反向流動。當流動方向改變時，進口部分和出口部分互換。圖1T45-R型Tesla閥模型示意圖Fig.1SchematicdiagramofT45-RTeslavalvemodel1.2數(shù)值模擬的基本設(shè)定T45-R型Tesla閥的結(jié)構(gòu)簡單，本文采用四邊形單元對幾何模型進行離散化，為了消除網(wǎng)格大小對數(shù)值模擬精度的影響，本文采用的單元邊長為隙寬的1/20即0.05，如圖2所示。圖2(網(wǎng)上彩圖)Tesla閥模型的網(wǎng)格剖分圖Fig.2(Coloronline)MeshsectionofTeslavalvemodelTesla閥中水的流動采用動量守恒的N-S方程和質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程兩個方程共同進行控制。在穩(wěn)定狀態(tài)下的不可壓縮牛頓流體的動量守恒與質(zhì)量守恒方程分別可寫成2uuPu(1)u=0(2)式中：ρ為密度，u為速度矢量，μ為黏度，P為總壓力，為哈密頓算子，2為拉普拉斯算子。為了模擬水流在Tesla閥中的流動，參考Truong等[7]、Zhang等[8]與Thompson等[14]所用流體計算軟件，本文同樣采用基于FVM代碼開發(fā)的專業(yè)流體計算軟件Fluent16.0進行分析[16]。為了對比研究相同Re數(shù)下Tesla閥正向與反向滲流的差異性，不管是正向滲流還是反向滲流，入口邊界都采用速度邊界，?

)；在Re>10時，Tesla閥的k/k0隨著Re數(shù)的增加而逐漸減小，不再滿足立方定律，進入到了非達西滲流階段(也稱為非線性滲流階段)。對于T45-R型Tesla閥而言，不同尺度下Tesla閥正向的k/k0都重合，反向的k/k0也都重合，雖然Tesla閥模型尺寸有量級變化，但在非線性滲流階段正向(或反向)的非線性程度是一致的。這也說明Tesla閥的進入非線性滲流的Re數(shù)與非線性程度都不會隨尺度的改變而改變，這使得大尺度Tesla閥應(yīng)用于輸水管廊時，基本滲流特性不變。圖3(網(wǎng)上彩圖)不同隙寬單級Tesla閥正向與反向滲流下相對滲透系數(shù)k/k0隨Re數(shù)的變化Fig.3(Coloronline)Relativepermeabilitycoefficientk/k0withRenumberinthedirectionofpositiveandreverseflowofsinglestageTeslavalvewithdifferentgapwidth2.2單級Tesla閥的兩極性Tesla閥的雙極性是指正反滲流特性不一致，一般采用壓差比Di進行表征，壓差比Di[14]定義如下rfQPDiP(5)表示為同一流量Q下反向出入口壓差rP與正向出入口壓差fP的比值。對于本文從Re數(shù)定義可知，同一流量Q即為同一Re數(shù)，進而通過統(tǒng)計正反向出入口的壓差，即可得到Re從0.001到1000的壓差比Di，并將不同隙寬Tesla閥壓差比Di與Re數(shù)之間的關(guān)系繪制于圖4。并與Forster等[18]的實驗結(jié)果進行對比，F(xiàn)orster等只做了幾組較大Re數(shù)的實驗，其范圍也不能反應(yīng)Tesla閥兩極性的產(chǎn)生與發(fā)展的全過程。Forster等的結(jié)果要大于本文結(jié)果，這主要是由于其采用的隙寬為114μm，高度為60μm的3DTesla閥，而本文采?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]納米流體在微尺度特斯拉閥中流動的數(shù)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型不可動微閥拓撲優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 徐一凡,林森,鄧永波,劉震宇.  計算機仿真. 2014(03)



本文編號：3240550