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特斯拉阀是什么?神奇的特斯拉阀在生活中的应用

特斯拉阀是什么?神奇的特斯拉阀在生活中的应用

分类:科技

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1、特斯拉阀


特斯拉阀是天才科学家尼古拉·特斯拉发明的单向导通气流阀,无任何活动部件,无需输入法能量即可实现气流单向导通。其正向流动与反向流动差别巨大,不需要内部进行机械运动,利用空间结构推动气体流动,通过物理结构加速气体,减小气体在运输中的能量损耗。


常规的单向阀结构,往往是依靠控制活动组件的开闭状态,从而实现流体的单向流通。但是,特斯拉巧妙地利用了流体力学原理,设计了一种不含有活动组件的单向阀结构,即特斯拉阀,借助其独特的结构设计,有效实现通道中的被动流量控制,可使其具有与方向相关的压降特性,形成“流体二极管”的效果,即一个流动方向的流动阻力高于另一方向。

特斯拉阀门是一种固定几何形状的被动单向导通阀,可以使流体单向流通。因其具有固定的几何外形,以此来弥补传统阀门因需要可移动部件而容易损坏的缺点,其可代替可动阀。由于流体具有惯性,在不同方向通过阀门时,流阻不同,从而实现单向流通”。


2、特斯拉阀的工作原理


当用点火器从阀门左侧点火后,可以看到火焰在内部通道里游动的过程,就像在内部形成的回流,而当从反方向测试后,气体流动速度会变得更快,这些结构就像是为火焰提供了加速作用。气体在特斯拉阀中扩张后再压缩,压差的变化产生推力使气体更加快速的推出。


对于大多数管内流动来说,其流动的驱动力来自于压力,即流动由高压区流向低压区(当然也有通过机械或其他手段使流体由低压区向高压区流动,如压气机与飞机的进气道)。对于驱动力来自于压力的流动而言,其能存在流动的核心原因就是流动两端存在压差。流量的计算应用出口处的总压与环境压力求出流速,进而由出口截面积求出流量。

总结一下,水龙头可以控制出水量可以解释为,当水龙头打开到最大时,此时总压损失最小,而水龙头关上时,总压损失最大。此阀的巧妙之处就在,流体顺向流动时,总压损失较小,但流体反向流动时损失极大,可以理解为从一侧吹气,出口压力降到大气压力附近,驱动压力几乎消失,就几乎没有流动了,但需要注意的是,一般这时还是有细微的流动(一般称之为泄漏量),随着阀长度的增加,泄漏量会减小,到可接受的范围内(基本感受不到)即可认为封住气了。


3、特斯拉阀应用


特斯拉阀内部虽然没有阻止流体运动的活动部件,但却仿佛自带“开关”,而这也意味着它具有更高的耐磨、耐用性,可以用很多材料来制造。目前已知已被广泛用于微流体和脉冲喷射发动机中,用来输送燃料、冷却剂、润滑油或其他气体和液体。


瑞士Pichoux峡谷因为修筑水坝截断了鱼类洄游之路。为了让鱼类能正常洄游,还特别参考特斯拉阀的原理设计了一个鱼梯,这样从上游下来的水流就被自动放缓,而鱼类洄游时的上行就变得容易很多。

4、孙博华院士团队:一种对称型特斯拉阀单向流特性的标度律


目前,大多是研究非对称结构的特斯拉阀系统在层流下的流动特性。这类研究往往存在明显不足:(a)缺乏对几何参数影响的更详细的分析和研究;(b)湍流中特斯拉阀系统的特性研究较少(Re>2000);(c)传统非对称特斯拉阀系统的单向流动特性尚不完善,其压降性能有待进一步提升;(d)对于特斯拉阀系统,缺少影响参数的标度律关系,不利于实际工程应用。


鉴于此,西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华教授团队受到几何对称通道系统(如Y型、T型通道等)的启发,该通道系统具有更好的流动分离和传热特性,提出了一种具有完全对称结构的特斯拉阀管路系统,采用有限元数值方法和量纲分析对其性能进行研究,并获得了压降和其它参数的标度律表达式,这对于实际工程应用具有重要意义。


文章来源:通用机械,西安建筑科技大学,柠檬ai自媒体


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