В 1920 году Никола Тесла запатентовал устройство под названием «Клапанный канал». Сейчас оно больше известно как клапан Теслы. Если интересно почитать сам патент как первоисточник, то его номер 1 329 559 в американском патентном ведомстве.
Что же такое клапан Теслы и для чего он нужен? Данное изобретение относится к устройствам, называемым гидравлическими диодами. Вот изображение клапана из оригинального патента:
Клапан это система каналов, в которой реализуется разное сопротивление при протекании жидкости или газа в разных направлениях. Работает это так: если жидкость или газ движется слева на право, то на каждом разветвлении поток разделяется на две части и одна из этих частей направляется на встречу другой, что приводит к потерям давления. Если же поток движется справа на лево, то он практически не разделяется и не встречает сопротивления встречных течений.
Таким образом, получается очень интересное устройство: мы можем реализовать разницу в сопротивлении и, при этом, в ней полностью отсутствуют подвижные части, что делает ее долговечной и надежной.
Помимо оригинальной конструкции из патента Николы Теслы я рассмотрел еще несколько интересных конструкций гидравлических диодов. Посмотрим что из этого получилось.
Для наглядной демонстрации работы клапана Теслы я сделал 3D-модель по рисунку из патента и распечатал ее на 3D-принтере.
В собранном виде получилось так:
Для герметичности все детали соединены на термоклей. Стрелкой показано прямое направление.
Все рассмотренные сегодня гидравлические диоды я проверял двумя очень простыми методами: первый – замерял скорость протекания через диод воды, а второй – замерял время, за которое сдуется воздушный шарик, присоединенный к гидравлическому диоду.
По поводу методов испытания уточню один момент. Я не претендую на высокую точность измерения эффективности рассмотренных гидравлических диодов. Моя цель показать работает ли диод в принципе. У любого потока жидкости или газа есть такая характеристика как число Рейнольдса. Оно зависит от скорости потока, от его вязкости и плотности. Изучение научных статей, посвященных гидравлическим диодам, показало, что в зависимости от числа Рейнольдса, их эффективность может различаться очень существенно, вплоть до того, что диод вообще не работает. Именно поэтому я делал проверки с помощью воды и воздуха. Тогда мы получаем два потока, у которых заведомо разная величина числа Рейнольдса.
Итак, вот первая схема , по которой выполнялась проверка водой:
На бутылку были нанесены две метки. Замерялось время, за которое вытекающая вода опустится от одной метки до другой. Диод присоединялся к бутылке сначала в прямом направлении, а затем в обратном.
Вторая схема с воздушным шариком:
Шарик надувался до определенного размера, и затем замерялось время, за которое он полностью сдуется.
Я не стал приводить результаты для каждого гидравлического диода отдельно. Поэтому в конце статьи приведены результаты сразу для всех. Так нагляднее. Сам процесс испытаний можно увидеть на видео-версии статьи, ссылка в конце.
Второй рассмотренный вариант гидравлического диода – это оптимизированная версия клапана Теслы, созданная американскими учеными [1]. На все упомянутые исследования приведены ссылки в конце статьи.
Авторы создали математическую модель, с помощью которой подбирали оптимальные размеры клапана Теслы. Углы наклона каналов, радиусы поворота, длина участков и т.д. По заверениям авторов, полученная модель на 25% лучше. Проверим это, и на итоговом графике все будет видно.
Еще один очень интересный вариант – это вихревой диод. Его схема показана на рисунке:
При течении в обратном направлении поток закручивается и из-за действия центробежных сил диод создает дополнительное сопротивление потоку. Для наглядной демонстрации я взял вариант вихревого диода, описанный российскими учеными в статье [2]. Напечатанная модель выглядит так:
О его эффективности узнаем ниже. Сейчас только отмечу, что именно вихревые диоды нашли самое широкое применение из всех рассмотренных.
Последним рассмотренным вариантом будет сопловой диод. Его схема показана на рисунке:
Данный диод мною взят из статьи [3]. По схеме из статьи создал модель. Распечатанный диод выглядит так:
Все распечатанные модели были проверены с помощью воды и воздуха, по схемам описанным выше. А теперь результаты:
Величина по вертикальной оси показывает во сколько раз медленнее протекает поток в обратном направлении через диод. Как видим, самым эффективным оказался вихревой диод. Через него поток в обратном направлении течет в два раза медленнее. Клапан Теслы показал снижение скорости потока в полтора раза. Удивила оптимизированная версия – в моих тестах она показала снижение потока всего в 1,25 раза, хотя авторы этой версии заявляли, что он более эффективен. Возможно, он себя лучше проявит на других режимах, но проверить это у меня нет возможности. Сопловой диод вообще не показал никакой разницы, возможно, я выбрал неправильную геометрию.
Видео-версия статьи с процессом испытаний:
На этом пока все.
Источники в статье:
1. Gamboa A . R ., Morris C . J ., Forster F . K . Improvements in Fixed - Valve Micropump Performance Through Shape Optimization of Valves // Journal of Fluids Engineering, V.127(2), 2005, p.339.
2. Khabarova D. F., Podzerko A. V., Spiridonov E. K. Experimental Investigation of Fluidic Diodes // Procedia Engineering, V.206, 2017, p.93–98.
3. Кайгородов С.Ю., Пилюгин О.И., Гаврилов А.О. Гидравлический или пневматический диод // International scientific review, 2015.