基于Simlab+Acusolve的特斯拉阀流动仿真

本文中，我们运用Altair Simlab进行前处理，并用Altair中的CFD求解器Acusolve进行了特斯拉阀的流动仿真。本案例所用几何模型来自于GrabCAD网站中的公开模型[1]，并参考了其他软件的官网案例[2]。

 

特斯拉阀由重复的弯道和直管道构成，当流体分别从阀门两端的入口进入时，流体的流动分布会存在明显的不同，此现象即为特斯阀的单向流通性。

使用Altair Simlab作为前处理器，总共划分了17万四面体单元，除出入口外也划分了边界层网格（网格模型如下图所示），流体介质使用水，密度和粘度参数设置如下：rho=1000kg/m^3,viscosity=0.001N*s/m^2，只求解流动方程。

Simlab中划分网格（考虑了边界层）

在Solution中设定如下：

通过RANS湍流k-w模型求解，进口速度为10m/s，出口压力为0，侧面使用slip壁面条件，稳态计算，采用8核并行计算求解，总计7分钟完成计算。

通过数值仿真，可以验证阀门的单向特性。

根据Bardel.R.L所提出的表征特斯拉阀单向导通特性的参数Diodicity, 数值上等于逆向流动压降与正向流动压降的比值，Di值越大，意味着逆向流动比正向流动更为困难，阀的单向导通效果就越明显[3]。

由于本案例中，设定的参考压力为0Pa,所以入口处的压力值也代表了入口处与出口处压力的差值[4]，将该差值带入上图公式，即可计算出单向导通参数Di。

正向流动的速度场

 反向流动的速度场    
 

 正向流动的压力分布  

 反向流动的压力分布    
 

由仿真结果可见，正向工况入口和出口压力差为0.28MPa，反向工况的压力差为1.57MPa，则该阀门单向导通特性参数Di值为5.6，仿真结果验证了相同流量下正向流动使用更小的压力就可以达到相同的流量。

在本案例中，我们求解的是稳态流场，所以无法看到流动的动态效果。如果用瞬态求解，可以看到更酷炫的动画效果，如下图所示[2], 这里仅用其他网站上的动图提供一个示例。

（瞬态流场求解的动态效果，上图为反向流动，下图为正向流动）

   参考文献：  

[1] 特斯拉阀3D模型下载链接 https://grabcad.com/library/tesla-valve-8

[2] Sim-flow官网 特斯拉阀模拟案例 https://help.sim-flow.com/tutorials/tesla-valve

[3] 刘海洋,马佳,王森等.特斯拉阀单向导通性研究[J].物理与工程,2020,30(01):120-124.

[4] 周润中,乔宇杰,张钰翔等.特斯拉阀性能的仿真研究[J].物理实验,2020,40(09):44-50.DOI:10.19655/j.cnki.1005-4642.2020.09.009.