Разработка и расчётный анализ волнового гидродиода с профилем проточной части на основе кубических сплайнов

   В статье был предложен волновой гидродиод — пассивное гидравлическое устройство, в котором периодическое изменение полузазора вдоль канала формирует различие гидравлических сопротивлений в прямом и обратном направлениях течения. Профиль проточной части задан кубическим сплайном. Геометрия полностью определяется тремя независимыми параметрами: минимальным полузазором, полузазором в точке сшивки и относительной координатой точки сшивки. Численное моделирование выполнено методами вычислительной гидродинамики Computational Fluid Dynamics на основе стационарных осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса и модели турбулентности k–ω. Дифференциально-геометрический анализ показал, что нулевая четвёртая производная кубического сплайна внутри каждого полиномиального участка ограничивает воспроизведение резких разрывов кривизны, необходимых для эффективного вихревого запирания потока. Полученные результаты демонстрируют, что сплайновая параметризация эффективна для плавных профилей, сокращая число варьируемых переменных, но требует замены на дискретные модели для геометрий с локальной агрессивностью кромок. Итоги исследования закладывают основу для многокритериальной топологической оптимизации пассивных запорных устройств ядерных реакторов.

1. Yoder G. L. Jr., Elkassabgi Y. M., De Leon G. I. [et al.]. Vortex diode analysis and testing for fluoride salt-cooled high-temperature reactors. Oak Ridge National Laboratory, 2011.

2. Lv Q., Chen M., Sun X. [et al.]. Design of fluidic diode for a high-temperature DRACS test facility. International Conference on Nuclear Engineering, Proceedings (ICONE. 4). doi: 10.1115/ICONE21-16902.

3. Shin S., Jeong J. H., Lim D. K. [et al.]. Design of SFR fluidic diode axial port using topology optimization. Nuclear Engineering and Design. 2018;338:63–73. doi: 10.1016/j.nucengdes.2018.07.028.

4. Chikazawa Y., Aizawa K., Shiraishi T., Sakata H. Experimental demonstration of flow diodes applicable to a passive decay heat removal system for sodium-cooled reactors. Journal of Nuclear Science and Technology. 2009;46(4):321–330. doi: 10.1080/18811248.2007.9711537.

5. Purwidyantri A., Prabowo B. A. Tesla valve microfluidics: the rise of forgotten technology. Chemosensors. 2023;11(4):256. doi: 10.3390/chemosensors11040256.

6. Nguyen Q. M., Abouezzi J., Ristroph L. Early turbulence and pulsatile flows enhance diodicity of Tesla’s macrofluidic valve. Nature Communications. 2021;12:2884. doi: 10.1038/s41467-021-23009-y.

7. Liosis C., Papadatos A., Pagonis D.-N. [et al.]. Diodicity of MicroTesla valves under various re numbers. Micromachines. 2025;16(12):1329. doi: 10.3390/mi16121329.

8. Wang P., Hu P., Liu L. [et al.]. On the diodicity enhancement of multistage Tesla valves. Physics of Fluids. 2023;35(5):052010. doi: 10.1063/5.0145172.

9. Kulkarni A. A., Ranade V. V., Rajeev R., Koganti S. B. Pressure drop across vortex diodes: experiments and design guidelines. Chemical Engineering Science. 2009;64(6):1285–1292. doi: 10.1016/j.ces.2008.10.060.

10. Tesla N. Valvular conduit. US patent 1,329,559. 23 Feb. 1920.

11. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994;32(8):1598–1605. doi: 10.2514/3.12149.

12. Stemme E., Stemme G. A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump. Sensors and Actuators A: Physical. 1993;39(2):159–167. doi: 10.1016/0924-4247(93)80213-Z.

13. Балуев Д. Е., Гусев Д. В., Мешков С. И. [и др.]. Исследование функциональных характеристик обратного клапана системы безопасности на масштабной модели // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2015. Т. 1, № 2. С. 103–110. doi: 10.26583/npe.2015.1.11. EDN: VSUXEN.

14. Shcherba V. E., Khait A. A., Kaigorodov S. Yu. [et al.]. Multidimensional optimization of the high-diodicity diaphragm hydrodiode for passive safety systems of nuclear power plants. Nuclear Engineering and Design. 2026;450:114803. doi: 10.1016/j.nucengdes.2026.114803.

15. Lim D. K., Song M. S., Chae H., Kim E. S. Topology optimization on vortex-type passive fluidic diode for advanced nuclear reactors. Nuclear Engineering and Technology. 2019;51(5):1279–1288. doi: 10.1016/j.net.2019.03.018.

16. Wilcox D. C. Formulation of the K-omega turbulence model revisited. AIAA Journal. 2008;46(11):2823–2838. doi: 10.2514/1.36541.