клапан Тесла
а) Направление вперед. Две соседние нити остаются в центральном коридоре канала с небольшими боковыми отклонениями.
(б) Обратное направление. Нити рикошетят от периодических структур, отклоняясь все более резко, прежде чем перенаправиться вокруг «островков» и смешаться.
(в) и (г) — увеличенные изображения.
Клапан Теслы , названный клапанным каналом его изобретателем , представляет собой пассивный обратный клапан с фиксированной геометрией . Это позволяет жидкости течь преимущественно в одном направлении, без движущихся частей. Устройство названо в честь Николы Теслы , который в 1920 году получил патент США № 1 329 559 на свое изобретение. Заявка на патент описывает изобретение следующим образом: [1]
Внутренняя часть трубопровода снабжена расширениями, выемками, выступами, перегородками или ковшами, которые, хотя и не оказывают практически никакого сопротивления прохождению жидкости в одном направлении, кроме поверхностного трения, представляют собой почти непреодолимый барьер для ее течения в противоположное направление.
Тесла проиллюстрировал это рисунком, показав одну 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.
Диодичность
[ редактировать ]Клапаны представляют собой конструкции, которые имеют более высокий перепад давления для потока в одном направлении (обратном), чем в другом (прямом). Эта разница в сопротивлении потоку вызывает чистый направленный расход в прямом направлении в осциллирующих потоках. Эффективность часто выражается в диодичности. , являющийся отношением направленных сопротивлений.
Сопротивление потоку определяется аналогично закону Ома для электрического сопротивления: [2] как соотношение приложенного перепада давления и результирующего расхода:
где - это приложенная разница давлений между двумя концами трубопровода, и скорость потока.
Диодичность представляет собой отношение сопротивления обратному потоку к сопротивлению прямому потоку: . Если , рассматриваемый канал имеет диодное поведение.
Таким образом, диодность — это также соотношение перепадов давления при одинаковых расходах: [3]
где – падение давления обратного потока, а падение давления в прямом потоке для расхода .
Аналогичным образом, диодичность можно также определить как отношение безразмерного числа Хагена или коэффициента трения Дарси к тому же числу Рейнольдса. [4]
Приложения
[ редактировать ]Не имея движущихся частей, клапаны Tesla гораздо более устойчивы к износу и усталости, особенно в приложениях с частым изменением давления, таких как импульсные струи . [5]
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 макрожидкостных приложениях и импульсных реактивных двигателях. [4] В 2021 году Xiaomi объявила, что некоторые из их мобильных телефонов будут использовать технологию жидкостного охлаждения Loop. В этой технологии используется клапан Теслы, обеспечивающий однонаправленность потока охлаждающей жидкости. [9] [10]
На верхнем рисунке показано течение в направлении блокировки: на каждом сегменте часть жидкости разворачивается (красный) и мешает прямому потоку (черный).
На нижнем рисунке показан поток в беспрепятственном направлении (синий).
Одно вычислительное гидродинамическое моделирование 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 беспрепятственном (или прямом) направлении. [11] Это подтверждает патентное утверждение Теслы о том, что в клапанном трубопроводе на его схеме степень давления «может быть получена примерно 200, так что устройство действует как слегка подтекающий клапан». [1]
Однако эксперименты со стационарным потоком, в том числе 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]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Патент №: US001329559» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . Кабинет директора по связям с общественностью. Архивировано из оригинала 3 января 2017 года . Проверено 2 января 2017 г.
- ^ Нгуен, Куинь М.; Хуанг, Дин; Дин, Эван; Романелли, Женевьева; Мейер, Шарлотта; Ристроф, Лейф (октябрь 2020 г.). «Жидкостный диод Теслы и электронно-гидравлическая аналогия». Американский журнал физики . 89 (4): 393–402. arXiv : 2103.14813 . дои : 10.1119/10.0003395 . S2CID 232401497 .
- ^ де Врис; Флорея; Гомбург; Фрийнс (2017). «Проектирование и работа клапана Тесла для пульсирующих тепловых трубок» . Международный журнал тепломассообмена . 105 : 1–11. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.062 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Нгуен, Куинь М.; Абуэзи, Джоанна; Ристроф, Лейф (17 мая 2021 г.). «Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки усиливают диодичность макрожидкостного клапана Теслы» . Природные коммуникации . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Бибкод : 2021NatCo..12.2884N . дои : 10.1038/s41467-021-23009-y . ПМЦ 8128925 . ПМИД 34001882 .
- ^ Мохаммадзаде, К.; Колахдуз, Ибрагим М.; Ширани, Э.; Шафии, М.Б. (2013). «Численное исследование работы микроклапана типа Тесла в бесклапанном микронасосе в диапазоне низких частот» . Журнал микробио-робототехники . 8 (3–4): 145–159. дои : 10.1007/s12213-013-0069-1 . S2CID 109638783 . Архивировано из оригинала 23 апреля 2021 г. Проверено 12 мая 2021 г.
- ^ Форстер, Фред К.; Барделл, Рональд Л.; Афромовиц, Мартин А.; Шарма, Найджел Р. (1995). Проектирование, изготовление и испытания микронасосов с фиксированным клапаном . Труды отдела разработки жидкостей ASME . Том. 234. стр. 39–44.
- ^ Дэн, Юнбо; Лю, Чжэньюй; Чжан, Пин (28 января 2010 г.). «Оптимизация микроклапанов жидкостного сопротивления с неподвижной частью и низким числом Рейнольдса» . 2010 23-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам (MEMS) . стр. 67–70. дои : 10.1109/MEMSYS.2010.5442565 . ISBN 978-1-4244-5761-8 . S2CID 22740698 . Архивировано из оригинала 12 мая 2021 года . Проверено 12 мая 2021 г.
- ^ Гамбоа, Адриан Р.; Моррис, Кристофер Дж.; Форстер, Фред К. (2005). «Улучшение производительности микронасосов с фиксированным клапаном за счет оптимизации формы клапанов». Журнал гидротехники . 127 (2): 339. дои : 10.1115/1.1891151 . S2CID 55961879 .
- ^ «Объяснение: как работает технология жидкостного охлаждения в смартфоне» .
- ^ «Жидкостное охлаждение и клапаны Tesla приходят в смартфоны» .
- ^ «Клапанный канал Теслы - журнал гидроэнергетики» . Журнал «Жидкая энергетика» . 2013-10-23. Архивировано из оригинала 13 января 2017 г. Проверено 13 января 2017 г.
