Tesla阀内部流场分析与构型因素研究.pdfVIP

Tesla 阀内部流场分析与构型因素研究1) 陈 川 申 峰 刘赵淼2) + （北京工业大学 机电学院，北京 100124) 摘要：通过数值模拟对Tesla 阀内部流场和构型因素进行了研究。在对经典Tesla 阀结构内部流场进行分析的基础上 对5 组不同的阀构型进行模拟计算。对结果的计算对比表明：T 型交汇口处角度改变能略微提高阀的性能；分岔口处角度 改变能显著提高阀的性能；T 型交汇口面积改变反而会降低阀的性能。据此得到比经典构型效果更优的构型，并为进一步 对Tesla 阀结构的优化改进提供依据。 关键词：Tesla 阀；数值模拟；构型优化 引 言 在微流体控制和驱动技术中，微阀和微泵是最关键的装置及组件。其中微阀是一个十分重要的部件， 它起着流体控制的最基本功能, 如完全或者部分阻隔流体, 流向控制等。但是传统的可移动阀片有结构 复杂，不易机械微加工，易于损坏，使用寿命短等缺点。而Tesla 阀是一种通过微通道本身构型来实现 阀的功能的一种无可动部件的阀，具有结构简单，易于加工，使用寿命长的优点，因而被广泛采用。为 了使其适应微通道中微流场的特殊环境，更好的发挥其特点，提高其控制流体的功能和效果，就必须对 其进行优化。这就需要观察研究其内部流场，根据其内部流场特点，进而对它的构型进行优化。 2000 年Ronald Louis Bardell 等人对Tesla 阀的机制进行了理论研究和数值模拟，提出了影响阀效率 [1] 的一个关键因素diodicity 值 。2001 年，Bendib 等人利用湍流模型行了自己设计的特斯拉阀的模拟, 并 [2] 对其中不同转折口大小对单向流动效率的影响进行了对比 。Turowski 等人对单个半圆环如图进行了详 细的二维模拟, 得到了瞬态特征, 并给出了其等效电路模型根据其流量具有方向性的特点，称这种微阀是 [3] 微流体二极管,与微电子中的止极管有着异曲同工之处 。Fred K. Forster 等人在2002 年通过数值模拟的 [4] 方法对比了Tesla 阀和另一种收缩喷口式微阀的效果 。Gamboa 等人在2003 年则对特斯拉结构的模型 进行了详细的参数建模, 考察微阀中各个不同位置的细微特征对流动的影响, 以单向流动效率最高为目 [5] 标, 进行了整体参数建模，从单个半圆环出发获得了进一步的优化结构 。Shakhawat Hossain 等人在2009 [6] 年通过数值模拟的方法对Tesla 阀进行了优化，着重研究并优化了Tesla 阀在微流体混合方面的的作用 。 根据国内外的研究，数值模拟结果是计算分析阀的性能，进而对微阀进行优化改进的可靠依据。前 人在此方面有大量研究，但是他们没有深入研究特斯拉阀内部的流场特点，对构型的研究也仅限于几个 构型之间的简单对比，没有对阀构型因素对其性能的影响进行系统的分析研究。本文通过对Tesla 阀内 部流场的分析研究提出了可能影响阀性能的构型因素，并通过多个入口压力条件下的数值模拟计算对其 1）国家自然科学基金 和国家自然科学基金 项目资助 2 ）E-mail ：lzm@bjut.edu.cn 1 影响进行了对比验证，为进一步优化提供依据。 1. 流场研究 对经典Tesla 阀的结构进行数值模拟计算