клапан Тесла
Конструкция клапана
Чертеж клапана
Поперечное сечение клапана Тесла, демонстрирующее конструкцию его полости, из оригинальной патентной заявки.
Визуализация потока в виде линий при Re=200 с использованием красителя, введенного выше по потоку:

(a) Прямое направление. Две соседние нити остаются в центральном коридоре канала с небольшими боковыми отклонениями.

(b) Обратное направление. Нити рикошетят от периодических структур, отклоняясь все более резко, прежде чем перенаправиться вокруг «островов» и смешаться.
(c) и (d) — увеличенные изображения

Клапан Теслы , названный его изобретателем клапанным каналом , представляет собой пассивный обратный клапан с фиксированной геометрией . Он позволяет жидкости течь преимущественно в одном направлении, без подвижных частей. Устройство названо в честь Николы Теслы , который получил патент США 1,329,559 в 1920 году за свое изобретение. В патентной заявке изобретение описывается следующим образом: [1]

Внутренняя часть трубопровода снабжена расширениями, углублениями, выступами, перегородками или ковшами, которые, не оказывая практически никакого сопротивления прохождению жидкости в одном направлении, за исключением поверхностного трения, представляют собой почти непреодолимое препятствие для ее потока в противоположном направлении.

Тесла проиллюстрировал это с помощью рисунка, на котором показана одна из возможных конструкций с серией из одиннадцати сегментов управления потоком, хотя по желанию можно использовать любое другое количество таких сегментов для увеличения или уменьшения эффекта регулирования потока.

Диодность

Клапаны представляют собой структуры, которые имеют более высокий перепад давления для потока в одном направлении (обратном), чем в другом (прямом). Эта разница в сопротивлении потоку приводит к чистому направленному расходу потока в прямом направлении в колеблющихся потоках. Эффективность часто выражается в диодности , которая является отношением направленных сопротивлений. Д я {\displaystyle \mathrm {Di} }

Сопротивление потоку определяется, аналогично закону Ома для электрического сопротивления [2], как отношение приложенного перепада давления к полученному расходу:

Р = Δ п В {\displaystyle R={\frac {\Delta p}{Q}}} где — разность давлений между двумя концами трубопровода и скорость потока. Δ п {\displaystyle \Дельта p} В {\displaystyle Q}

Диодность тогда представляет собой отношение сопротивления обратному потоку к сопротивлению прямому потоку: . Если , то рассматриваемый трубопровод имеет диодное поведение. Д я = Р г Р ф {\ displaystyle \ mathrm {Di} = {\ frac {R_ {\ rm {r}} {R _ {\ rm {f}}}}} Д я > 1 {\displaystyle \mathrm {Di} >1}

Таким образом, диодность также является отношением перепадов давления при одинаковых скоростях потока: [3]

Д я = ( Δ п г Δ п ф ) В , {\displaystyle \mathrm {Di} =\left({\frac {\Delta p_{\rm {r}}}{\Delta p_{\rm {f}}}}\right)_{Q},}

где — перепад давления обратного потока, а — перепад давления прямого потока для расхода . Δ п г {\displaystyle \Дельта p_{\rm {r}}} Δ п ф {\displaystyle \Дельта p_{\rm {f}}} В {\displaystyle Q}

Эквивалентно, диодность можно также определить как отношение безразмерного числа Хагена или коэффициента трения Дарси к тому же числу Рейнольдса. [4]

Приложения

Благодаря отсутствию подвижных частей клапаны Теслы гораздо более устойчивы к износу и усталости, особенно в приложениях с частым изменением давления, таких как импульсные реактивные двигатели . [5]

Микрофотография клапана Тесла в микронасосе с фиксированным клапаном, с ограниченным потоком справа налево [6]

Клапан Теслы используется в микрофлюидных приложениях [7] и предлагает такие преимущества, как масштабируемость, долговечность и простота изготовления из различных материалов. [8] Он также используется в макрофлюидных приложениях и импульсных реактивных двигателях. [4] В 2021 году Xiaomi объявила, что некоторые из ее мобильных телефонов будут использовать технологию петлевого жидкостного охлаждения. Эта технология использует клапан Теслы, чтобы гарантировать, что поток охлаждающей жидкости является однонаправленным. [9] [10]

Принцип работы клапана Тесла: Верхний рисунок показывает поток в блокирующем направлении: на каждом сегменте часть жидкости поворачивается (красный) и мешает прямому потоку (черный). Нижний рисунок показывает поток в беспрепятственном направлении (синий).

Одно вычислительное моделирование динамики жидкости клапанов Теслы с двумя и четырьмя сегментами показало, что сопротивление потоку в блокирующем (или обратном) направлении было примерно в 15 и 40 раз больше, соответственно, чем в свободном (или прямом) направлении. [11] Это подтверждает патентное утверждение Теслы о том, что в клапанном канале на его схеме можно получить отношение давлений, «приблизительно равное 200, так что устройство действует как слегка протекающий клапан». [1]

Однако эксперименты с постоянным потоком, в том числе и с оригинальной конструкцией, показывают меньшие соотношения двух сопротивлений в диапазоне от 2 до 4. [4] Также было показано, что устройство лучше работает с пульсирующими потоками . [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Патент №: US001329559". Патентное и торговое ведомство США . Офис главного должностного лица по коммуникациям. Архивировано из оригинала 3 января 2017 г. Получено 2 января 2017 г.
  2. ^ Нгуен, Куинь М.; Хуанг, Дин; Дин, Эван; Романелли, Дженивьева; Мейер, Шарлотта; Ристроф, Лейф (октябрь 2020 г.). «Жидкостный диод Теслы и электронно-гидравлическая аналогия». American Journal of Physics . 89 (4): 393–402. arXiv : 2103.14813 . doi :10.1119/10.0003395. S2CID  232401497.
  3. ^ de Vries; Florea; Homburg; Frijns (2017). «Проектирование и работа клапана типа Тесла для пульсирующих тепловых труб». Международный журнал по тепло- и массообмену . 105 : 1–11. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.062 .
  4. ^ abcd Нгуен, Куинь М.; Абуэцци, Джоанна; Ристроф, Лейф (17 мая 2021 г.). «Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки усиливают диодность макрожидкостного клапана Теслы». Nature Communications . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Bibcode :2021NatCo..12.2884N. doi : 10.1038/s41467-021-23009-y . PMC 8128925 . PMID  34001882. 
  5. ^ Mohammadzadeh, K.; Kolahdouz, Ebrahim M.; Shirani, E.; Shafii, MB (2013). «Численное исследование производительности микроклапана типа Тесла в бесклапанном микронасосе в диапазоне низких частот» . Journal of Micro-Bio Robotics . 8 (3–4): 145–159. doi :10.1007/s12213-013-0069-1. S2CID  109638783. Архивировано из оригинала 23.04.2021 . Получено 12.05.2021 .
  6. ^ Форстер, Фред К.; Барделл, Рональд Л.; Афромовиц, Мартин А.; Шарма, Найджел Р. (1995). Проектирование, изготовление и испытание микронасосов с фиксированным клапаном. Труды ASME Fluids Engineering Division . Том 234. С. 39–44.
  7. ^ Дэн, Юнбо; Лю, Чжэньюй; Чжан, Пин (28 января 2010 г.). «Оптимизация микроклапанов с сопротивлением жидкости без подвижных частей и низким числом Рейнольдса». 2010 IEEE 23-я международная конференция по микроэлектромеханическим системам (MEMS) . стр. 67–70. doi :10.1109/MEMSYS.2010.5442565. ISBN 978-1-4244-5761-8. S2CID  22740698. Архивировано из оригинала 12 мая 2021 г. . Получено 12 мая 2021 г. .
  8. ^ Гамбоа, Адриан Р.; Моррис, Кристофер Дж.; Форстер, Фред К. (2005). «Улучшение производительности микронасосов с фиксированным клапаном за счет оптимизации формы клапанов». Журнал по гидродинамике . 127 (2): 339. doi :10.1115/1.1891151. S2CID  55961879.
  9. ^ «Объяснение: как работает технология жидкостного охлаждения в смартфоне».
  10. ^ «Жидкостное охлаждение и клапаны Tesla появятся в смартфонах».
  11. ^ "Tesla's Valverular Conduit - Fluid Power Journal". Fluid Power Journal . 2013-10-23. Архивировано из оригинала 2017-01-13 . Получено 2017-01-13 .
  • Клапан Tesla объяснили с помощью огня на YouTube
  • Tesla Valve | Полная физика на YouTube
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tesla_valve&oldid=1252419843"