CFD modeling and evaluation of a bi-stable micro-diverter valve

Micro-diverter valves are innovative and efficient devices used to generate microbubbles that can significantly enhance process efficiency in industry. Micro-diverter valves have been experimentally tested and modeled using CFD in previous works. However, a detailed CFD modeling evaluation of these valves has not been performed employing detailed turbulence modeling at transient and steady state. This article presents a three-dimensional CFD simulation and performance evaluation of a bi-stable diverted valve for microbubble generation. In the model, transient and steady state approaches were used to quantify the behavior in the valve. The K - ε standard and k - ε RNG turbulence models were used and compared. Different mesh configurations, mesh generation methods, and both turbulence models were evaluated to find the best set-up to simulate this valve. A brief analysis of the time-step size using the Courant number approach was also performed. Operation conditions at low Reynolds (3800) and high frequency (200 Hz) were used to assess possible industrial applications, thus setting the base for further studies. The results of this work show that at low Reynolds numbers and high frequencies, the valve is able to divert the fluid and thus it may have wider industrial applications. RESUMEN Las válvulas de micro- desviación son dispositivos innovadores y eficientes que se utilizan para generar microburbujas que pueden mejorar significativamente la eficiencia de un proceso en la industria. Las válvulas de microdesviación han sido probadas experimentalmente y modeladas usando CFD en trabajos previos. Sin embargo, hasta el momento no se había llevado a cabo una evaluación del modelado en CFD de éstas válvulas utilizando un modelo detallado de turbulencia en estado transitorio y estable. Este artículo presenta una simulación tridimensional de CFD y la evaluación del rendimiento de una válvula desviada biestable para la generación de microburbujas. En el modelo, fueron utilizados aproximaciones en estado estable y transitorio para cuantificar el desempeño de la válvula. Los modelos k - ε estándar y de turbulencia k - ε RNG fueron utilizados y comparados. Fueron evaluados diferentes métodos de generación y configuraciones de malla y ambos modelos de turbulencia para encontrar la mejor configuración para simular esta válvula. Además se realizó un breve análisis del tamaño del paso de tiempo utilizando el enfoque del número Courant. Fueron evaluadas las condiciones de operación a bajo Reynolds (3800) y alta frecuencia (200 Hz) para posibles aplicaciones industriales, sentando así la base para estudios posteriores. Los resultados de este trabajo muestran que a bajos números de Reynolds y altas frecuencias, la válvula puede desviar el fluido y, por lo consiguiente puede servir en una amplia cantidad de aplicaciones industriales.