OpenFOAM simpleFoam으로 테슬라 밸브(Tesla valve) 유동해석

 

  "OpenFOAM simpleFoam으로 테슬라 밸브 유동해석 완전 가이드! 100년 전 니콜라 테슬라가 발명한 역류방지 밸브의 원리를 CFD로 완벽 분석."

  움직이는 부품 하나 없이 유체의 흐름을 한쪽만으로만 허용하는 마법 같은 밸브가 있는데요. 바로 100전 천재 발명가 니콜라 테슬라가 만든 테슬라 밸브예요.

 내부 채널의 독특한 기하학적 형상만으로 유체가 한방향으로만 흐르고 역방향으로 거의 흐르지 못하게 하는 체크밸브 역할을 해요,

 순방향에서는 유체가 입구에서 출구로 거의 직선으로 흐르며 압력 손실이 작고 역방향에서는 와류가 발생하며 압력손실이 증가하게 돼요,

  이러한 원리를 유체해석으로 진행해볼게요.

 

1. 형상 및 격자 생성

(1) 형상

테슬라 밸브 형상

(2) 격자

해석 격자

1) 격자 갯수 : 5,700

2) 격자 품질 (checkMesh)

checkMesh 결과

 

2. 해석 조건

  1) 정상상태 층류유동

  2) 입구조건 :

     - 속도 조건 : 5m/s (forward inlet or Reverse inlet)

     - 압력 : 대기압

 3. 해석 파일 상세

   (1) 초기 조건 및 경계조건 - 순방향 조건

      1) 0/U

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField uniform (0 0 0);
boundaryField
{
Fwd_inlet
{ type fixedValue;
  value uniform (5 0 0); }
Rev_inlet
{ type zeroGradient; }
walls { type noSlip; }
Half_Plane { type symmetry; }
}

 

      2) 0/p

 dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];
 internalField uniform 0;
 boundaryField
{
Fwd_inlet { type zeroGradient; }
Rev_inlet { type fixedValue;
                  value uniform 0; }
walls { type zeroGradient; }
Half_Plane { type symmetry; }
}

 

   (2) 초기 조건 및 경계조건 - 역방향 조건

      1) 0/U

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField uniform (0 0 0);
boundaryField
{
Fwd_inlet { type zeroGradient; }
Rev_inlet { type surfaceNormalFixedValue;
                  refValue uniform -5;
                   value uniform (0 0 0);                   }
walls { type noSlip; }
Half_Plane { type symmetry; }
}

 

   surface normal에 대한 속도 조건을 주기위해 surfaceNormalFixedValue 경계조건 사용.

    refValue uniform -5; 부호가 - 로 설정해야 형상안쪽으로 방향을 가져요.

 

      2) 0/p

 dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];
 internalField uniform 0;
 boundaryField
{
Fwd_inlet { type fixedValue;
                  value uniform 0; }
Rev_inlet { type zeroGradient; }
walls { type zeroGradient; }
Half_Plane { type symmetry; }
}

     

  (3) 작동유체 물성 및 특성

      1) constant/transportProperties

transportModel Newtonian;
nu 1e-06;

 

      2) constant/turbulenceProperties

simulationType laminar;

 

  3. 해석 결과

  (1) 순방향 해석결과

 

속도 분포 결과

 

순방향일때 직선으로 빠르게 통과하는 경향을 보여요.

입구와 출구의 압력 차이는 32.65 Pa

 

 

  (2) 역방향 해석결과

 

역방향 속도 분포

 

  역방향일때 유체가 U자형 채널들을 만나게 되면서 와류가 발생되고 재순환 영역이 형성되면서 유체의 진행이 어려워져요.

  입구와 출구의 압력 차이는 46.12 Pa로 순방향일 때 보다 41%증가하게 돼요.

  하나의 밸브로 41%차이지만 여러 밸브가 합처지면 체크 밸브의 역할을 하게 되는 거에요,

 

결론

 

  OpenFOAM simpleFoam 해석으로 100년 전 니콜라 테슬라의 설계가 얼마나 뛰어났는지 알수있게 되었어요.

  실제로도 응용이 가능한데요.  마이크로 펌프, 파력발전, 냉각시스템에 사용되고 있어요.

  해석시 궁금한 점은 댓글로 남겨주시면 답변드릴게요!

  오늘도 읽어 주셔서 감사해요.