Раскрыт секрет работы «вечного» обратного клапана Николы Теслы — Наука
ТАСС, 17 мая. Исследователи из США выяснили, что обратный клапан, изобретенный Николой Теслой в 1916 году, способен неограниченно долго пропускать воду только в одном направлении из-за особого влияния турбулентности на потоки жидкости внутри него. Раскрытие принципов его работы поможет создать помпу на его основе, сообщила в понедельник пресс-служба Нью-Йоркского университета.
«Крайне удивительно то, что этому изобретению недавно исполнилось сто лет и при этом мы не до конца понимали то, как оно работает, и поэтому не знали, в каких областях науки и техники его можно применять. Теслу часто считают кудесником от мира электричества, однако его работы, связанные с управлением потоками жидкостей, оказались действительно передовыми», — заявил доцент Нью-Йоркского университета Лейф Ристоф, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Так называемый «клапан Теслы» представляет собой трубу необычной формы, которая содержит в себе множество ответвлений и боковых проходов, что делает ее похожей елочку и на извилистое течение реки с множеством поворотов и островов.
В отличие от других типов обратных клапанов, подобная конструкция не требует использования пружин, поршней и других механических компонентов, благодаря чему она может работать неограниченно долго, а для ее конструкции не требуется больших усилий. По этой причине, клапаны Тесла активно используются сегодня при создании микронасосов и прочих миниатюрных устройств, манипулирующих потоками жидкостей.
Секреты изобретателя
Как отмечает Ристоф, точные принципы работы этого устройства оставались загадкой для физиков и математиков до недавнего времени. Физики и математики из Нью-Йорка раскрыли механизм его работы, создав копию подобного клапана в своей лаборатории и проследив за тем, как через него движется вода при разных скоростях, давлениях и других параметрах потока.
Эти опыты, а также последующие теоретические расчеты, указали на то, что клапан Тесла ведет себя как своеобразный переключатель, чье состояние зависит от того, насколько высок уровень турбулентности жидкости внутри него.
В том случае, если жидкость течет достаточно медленно и упорядоченным образом, изобретение Теслы почти не мешает ее движению, пропуская ее в обе стороны.
Если же этот показатель повышается до некой критической отметки, то клапан перестает пропускать воду в обратную сторону, что, как обнаружили Ристоф и его коллеги, было преимущественно связано с тем, как высокий уровень турбулентности влияет на движение воды в боковых каналах изобретения Теслы.
«Наши наблюдения показали, что турбулентность появляется внутри клапана значительно быстрее, чем в нормальных трубах любой формы, при скорости движения воды примерно в 20 раз меньше, чем это обычно происходит. Этот феномен позволяет очень гибко управлять потоками движения жидкостей, что имеет массу практических приложений», — пояснил Ристоф.
В частности, ученые предлагают использовать эту особенность изобретения Теслы для создания различных помп, способных использовать вибрации, вырабатываемые двигателями автомобилей и промышленных установок, для прокачки топлива, охлаждающих жидкостей, масла и прочих газов и жидкостей.
Это значительно упростит их конструкцию и продлит их сроки работы, подытожили исследователи.
Малоизвестное изобретение Николы Теслы, заинтересовавшее ученых
Сербско-американский физик и изобретатель Никола Тесла широко известен своими работами в области электро- и радиотехники. Его устройства, работающие на переменном токе, во многом определили технический облик XX века. Особенно Теслу любят в массовой культуре, связывая с ним совершенно умопомрачительные мифы (Филадельфийский эксперимент, создание лучей смерти и прочих «вундервафлей»). Однако совсем недавно внимание ученых привлекло одно малоизвестное изобретение Николы Теслы. Это не очередная выдуманная конспирологами «машина смерти», и даже не что-то из электротехники. Речь идет о любопытном гидравлическом механизме под названием «клапан Теслы».
Николе Тесле принадлежит более 300 патентов на разнообразные устройства: двигатели, радиоприемники, пульты дистанционного управления, рентгеновские лучи, неоновые вывески и многое другое.
Однако мало кто знает о патенте US1329559A. Это гидравлический механизм, представляющий собой одну из разновидностей обратного клапана.
Чтобы понять смысл изобретения, разберемся, что вообще такое обратный клапан. Если кратко — это механизм, пропускающий среду (например, какую-нибудь жидкость) в одном направлении и предотвращающий ее движение в противоположном. Его используют в различном оборудовании, трубопроводах и насосах. Однако во многих видах обратных клапанов присутствуют подвижные детали, что ограничивает надежность и срок эксплуатации устройства. Клапан Теслы создан без применения каких-либо подвижных деталей.
Продольный разрез клапана Теслы из патентаОбщий принцип работы механизма довольно прост: поток, проходящий через канал в одном направлении, разделяется на несколько потоков. Сложная геометрия канала направляет потоки таким образом, что они «гасят» друг друга, в результате чего возрастает сопротивление клапана (обратное, блокирующее направление). При прямом (неблокирующем) направлении поток практически беспрепятственно проходит через клапан.
Стоит отметить, что клапан Теслы является так называемым слегка протекающим клапаном: в обратном направлении поток блокируется не полностью. Эффективность механизма определяется тем, во сколько раз сопротивление потоку в блокирующем направлении больше, чем в неблокирующем.
На Youtube есть отличное видео, которое визуализирует принцип работы клапана Теслы:
Несмотря на кажущуюся незамысловатость механизма, физика клапана Теслы оказывается намного сложней и глубже. На днях ученые Курантовского института математических наук при Нью-Йоркском университете выпустили статью в Nature Communications, в которой подробно исследуется работа клапана Теслы для различных потоков.
Но прежде рассмотрим такую важную характеристику потока, как число Рейнольдса. Это характеристическое число, основанное на отношении инертности движения течения к вязкости жидкости. Если проще, то это отношение произведения плотности среды , ее средней скоростии гидравлического диаметра (например диаметр цилиндрической трубы) к вязкости жидкости :
Для каждого вида течения существует критическое число Рейнольдса, определяющее переход от ламинарного движения (движения без перемешивания частиц и пульсаций скоростей и давления) к турбулентному движению (с характерными перемешиваниями жидкости и пульсациями скоростей и давления).
Ученые выяснили, что потоки с низким числом Рейнольдса (Re < 100) клапан Теслы «хорошо пропускает» в обе стороны, а режим движение жидкости является ламинарным. При критическом значении Re в 100-300 резко «включается» сопротивление клапана, движение переходит от ламинарного к турбулентному (критическое число Рейнольдса в данном случае является аномально низким, в цилиндрической трубе переход к турбулентному движению происходит при Re = 2000). При Re = 300-1500 сопротивление обратного направления клапана в два раза больше прямого. Зависимость сопротивления от ранней турбулентности хорошо показывает движение жидкости с красителями в блокирующем направлении: при Re = 50 нити практически не пересекаются, при Re = 200 нити перемешиваются в середине клапана, а при Re = 400 смешивание происходит на протяжении большей части длины канала.
В своем патенте Николо Тесла указал, что клапан лучше работает не с постоянными, а пульсирующими потоками. Для проверки гипотезы, ученые соорудили установку, очень похожую на преобразователь переменного тока в постоянный (сопоставление изображено на схеме ниже).
Преобразователь тока состоит из источника переменного тока и четырех диодов. Благодаря расположению диодов, в первом полупериоде ток проходит только через два диода и идет по красному пути. Во втором полупериоде ток проходит через другие два диода и идет по синему пути. Таким образом, через верхнюю ветвь проходит переменный ток (AC), а через нижнюю постоянный (DC). В аналогичной гидравлической установке в качестве источника пульсирующего потока используется специальное устройство из поршня. Клапаны Теслы используются также, как диоды в электрическом преобразователе. В нижней трубке поток становится постоянным. При увеличении амплитуды и частоты пульсации возрастает скорость постоянного потока, причем характер зависимости носит нелинейный характер.
Ученые предполагают, что обнаруженная связь между сопротивлением, ранней турбулентностью и пульсацией потока найдет применения в устройствах для перемешивания и перекачки жидкостей. На данный момент клапаны Тесла используются в микронасосах.
Ведутся исследования для использования клапанов Теслы в импульсных реактивных двигателях для подачи жидкостей в очень малых количествах и устройствах с высоким уровнем вибрации.
Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
GISMETEO: Кишечник акулы работает как клапан Теслы — Животные
Всего через два месяца после того, как физики доказали, что изобретение Николы Теслы, сделанное 100 лет назад, работает лучше, чем кто-либо предполагал, оказалось, что кто-то другой добился этого первым, причем на несколько сотен миллионов лет ранее.
Трехмерные изображения кишечника акулы показывают, что эти рыбы используют изобретенный Теслой механизм уже очень давно.
Доктор Саманта Ли из Университета штата Калифорния решила выйти за пределы плоских эскизов акульей анатомии и сконцентрировалась на исследовании спирального кишечника этого создания. Вместе с коллегами она разработала новую методику цифрового сканирования тканей, который позволяет разглядывать их в мельчайших подробностях без необходимости препарирования.
Оказалось, что спиралевидные органы в пищеварительной системе акул замедляют продвижение пищи, давая рыбе больше времени для сбора питательных веществ и при этом экономя энергию. Как и многие высшие хищники, некоторые акулы потребляют очень много еды, но при этом могут длительное время оставаться без пищи.
Пищеварительная система, которая хорошо использует время между трапезами, является важным активом. Возможно, он помог акулам не только пробиться на вершину пищевой цепочки, но и пережить массовые вымирания, которые уничтожили многих грозных конкурентов. Подобные структуры были обнаружены у представителей 22 семейств акул и скатов и, по-видимому, не зависят от диеты.
Сочетание силы тяжести и ритмичных сокращений мышц кишечника заставляет пищу двигаться в нужном направлении, а спирали предотвращают ее возвращение во время любых резких маневров. Они работают аналогично клапану Теслы, который пропускает жидкость в одном направлении, предотвращая ее движение в другом.
Как и многие другие изобретения Теслы, его клапан поначалу в значительной степени проигнорировали. Однако по мере того как статус Теслы вырос, его изобретение приобрело популярность и привлекло научное внимание.
Кишечник акулы может послужить источником вдохновения для некоторых новых применений клапанов Теслы, таких как механизмы очистки сточных вод, максимизирующих удаление загрязняющих веществ.
Выяснилось, что кишечник акул работает как клапан Никола Теслы
Как это ни странно, но о питании акул наука знает немного: что они едят и как переваривают пищу, а также какую роль играют в экосистеме океана.
В новом исследовании ученые стремились выяснить больше о пищеварительной системе морских хищников.
Ученые провели серию 3D-сканирований с высоким разрешением и получили трехмерные изображения кишечников почти 30 видов акул. Благодаря сканированию исследователи обнаружили несколько новых аспектов функционирования кишечника акулы. Анализ показал, что кишечник акулы работает как знаменитый клапан Николы Теслы.
КТ-изображение спирального кишечника морской акулы, показанное сверху вниз. Предоставлено: Саманта Ли / Калифорнийский государственный университет в Домингес-Хиллз.Ученые установили, что спиралевидные органы пищеварения акул замедляют движение пищи и направляют ее вниз по кишечнику, полагаясь на силу тяжести в дополнение к перистальтике, ритмическому сокращению гладких мышц кишечника. Эта функция оказалась аналогом одностороннего клапана, который известный физик Никола Тесла изобрел более ста лет назад. Данный клапан позволяет жидкости течь в одном направлении без обратного потока и помощи со стороны каких-либо движущихся элементов.
В своей работе ученые в основном использовали компьютерный томограф (КТ) в лаборатории Friday Harbor Laboratories для создания трехмерных изображений кишечника акулы, которые были получены из образцов, хранящихся в Музее естественной истории Лос-Анджелеса. Аппарат работает как стандартный компьютерный томограф, используемый в больницах: серия рентгеновских изображений снимается под разными углами, а затем объединяется с помощью компьютерной обработки для создания трехмерных изображений. Это позволяет исследователям увидеть сложность кишечника акулы, не рассекая его и не трогая.
Читать далее
ОАЭ испытали технологию искусственного вызова осадков в 50-градусную жару
Физики рассказали, что будет, если Луна приблизится к Земле
Появление наземных растений 400 млн лет назад изменило регуляцию климата Земли
Ученые раскрыли секрет работы «вечного» обратного клапана Николы Теслы
Обратный клапан, изобретенный Николой Теслой в 1916 году, может неограниченно долго пропускать воду только в одном направлении из-за особого влияния турбулентности на потоки жидкости внутри него.
Американские ученые раскрыли принцип его работы. Это даст возможность создания помпы на основе обратного клапана. Об этом сообщает ТАСС.
«Крайне удивительно то, что этому изобретению недавно исполнилось сто лет и при этом мы не до конца понимали то, как оно работает, и поэтому не знали, в каких областях науки и техники его можно применять. Теслу часто считают кудесником от мира электричества, однако его работы, связанные с управлением потоками жидкостей, оказались действительно передовыми», – заявил доцент Нью-Йоркского университета Лейф Ристоф.
Этот клапан является трубой необычной формы, содержащей множество ответвлений и боковых проходов.
Это делает ее похожей на извилистое течение реки с множеством поворотов и островов. Еще в 1916 году Тесла обнаружил, что это заставляет жидкость течь только в одном направлении.
Такая конструкция не подразумевает использования пружин, поршней и других механических компонентов, поэтому она может работать неограниченно долго, а ее построение достаточно просто.
Принципы работы клапана Теслы долгое время оставались непонятыми. Американские ученые открыли принцип его работы, с помощью создания копии клапана в своей лаборатории. Они наблюдали за тем, как через него движется вода при разных скоростях, давлениях и других параметрах потока.
Эти опыты и теоретические модели показали, что клапан Тесла подобен переключателю, чье состояние зависит от того, насколько высок уровень турбулентности жидкости внутри него. Если жидкость течет достаточно медленно и упорядоченным образом, изобретение Теслы почти не мешает ее движению, пропуская ее в обе стороны.
Но если вода выходит за критические отметки, то клапан перестает пропускать ее в обратную сторону. Это чаще всего связано с высоким уровнем турбулентности и его влиянием на движение воды в боковых каналах клапана.
Этот феномен позволяет очень гибко управлять потоками движения жидкостей, что имеет массу практических приложений», – рассказал Ристоф.Фото: screenshot YouTube «Клапан Тесла | Целая физика», pixabay.com
Ученые предложили новое применение клапанам Николы Теслы
Двести лет назад Никола Тесла придумал и запатентовал клапан без подвижных деталей, пропускающий поток воды только в одном направлении. Команда инженеров из США построила 30-сантиметровый прототип клапана, испытала его производительность под различным давлением и пришла к выводу, что этому изобретению можно найти применение.
Клапан Теслы состоит из основной трубки и ответвлений, которые разбивают поток и направляют их таким образом, чтобы его части взаимно гасили энергию, и вода не текла бы в обратную сторону, а двигалась бы в одном направлении и без применения дополнительных элементов.
Лейф Ристроф из Университета Нью-Йорка и его коллеги построили 30-сантиметровую версию такой трубы и испытали ее в различных условиях, сообщает New Scientist.
Хотя Тесла утверждал в патенте, что его клапан может заставить воду течь в 200 раз медленнее в одном направлении, чем в другом, современные ученые обнаружили, что разница не такая существенная, всего в два раза. При низкой скорости потока эффективность клапана низкая, но чем выше движется вода, тем он лучше работает.
«Он был парнем с богатым воображением, — сказал Ристроф. — Не до конца ясно, построил ли он [клапан] и протестировал ли он его. Я подозреваю, что да, но документальных свидетельств нет».
Ученые полагают, что Тесла, которому также принадлежит патент на электрический преобразователь переменного тока в постоянный, изобрел клапан по аналогии с движением электрического тока. И видят возможность применения такой конструкции в двигателях и других аппаратах, для нагнетания топлива, хладагента, смазочного материала и прочих жидкостей под действием вибрации этих механизмов.
«Только представьте, как такой насос использует вибрацию мотора, которая в любом случае имеется, для циркуляции. У него нет движущихся частей. Нечему будет ломаться», — сказал Ристроф.
Инженеры MIT напечатали дешевые магнитные насосы. Их себестоимость — $3,89, и он может перемещать как жидкости, так и газы, расходуя при этом меньше энергии и реже засоряясь, чем стандартные образцы такого же размера.
3D-визуализация: кишечник акулы функционирует как клапан Николы Теслы — Поиск
«Пришло время использовать современные технологии, чтобы взглянуть на эти поистине удивительные спиральные кишечники акул, – сказала ведущий автор Саманта Ли, доцент Калифорнийского государственного университета в Домингес-Хиллз.
– Мы разработали новый метод цифрового сканирования, и теперь можем рассматривать мягкие ткани с мельчайшими подробностями, не разрезая их».
Исследователи использовали компьютерный томограф (КТ) для создания трехмерных изображений кишечника акулы, которые были получены из образцов, хранящихся в Музее естественной истории Лос-Анджелеса. Аппарат работает как стандартный компьютерный томограф, используемый в больницах: серия рентгеновских изображений снимается под разными углами, а затем объединяется с помощью компьютерной обработки для создания трехмерных изображений. Это позволяет исследователям увидеть сложность кишечника акулы, не рассекая его и не трогая.
КТ-изображение спирального кишечника морской акулы, показанное сверху вниз. Предоставлено: Саманта Ли / Калифорнийский государственный университет в Домингес-Хиллз.«КТ-сканирование – один из немногих способов “рассмотреть” кишечник акулы в трех измерениях, – сказал соавтор Адам Саммерс, профессор из UW Friday Harbour Labs. – Кишечник настолько сложен, с таким количеством перекрывающихся слоев, что рассечение разрушает контекст и взаимосвязь между тканями.
Это все равно что пытаться понять, о чем пишут в газете, глядя на ее свернутую копию”.
Это все равно что пытаться понять, о чем пишут в газете, глядя на ее свернутую копию”.Это открытие может пролить свет на то, как акулы едят и обрабатывают пищу. По словам Ли, большинство акул обычно проводят дни или даже недели между обильными приемами пищи, поэтому они полагаются на способность удерживать еду в своем организме и поглощать как можно больше питательных веществ.
О месте акул в экосистеме ученые говорят: поскольку они главные хищники в океане и поедают множество организмов – беспозвоночных, рыб, млекопитающих и даже водоросли, – они естественным образом контролируют биоразнообразие многих видов. Знание того, как акулы едят, как перерабатывают пищу и выделяют отходы, важно для понимания экосистемы в целом.
«О подавляющем большинстве видов нам известно немного – их строение и то, как работает организм. Каждое наблюдение, анатомическое исследование дают нам то, о чем мы не могли даже догадаться, – говорит Саммерс. Нам нужно внимательнее смотреть на акул, и, в частности, на другие части их тела, кроме челюстей”.
Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.
Использованы материалы сайта phys.org. Фото, видео: phys.org
21.07.2021
Елена Краснова
Вековой водяной клапан, изобретенный Никой Тесла, может найти современное применение
Мэтью Спаркс
Моделируемые потоки через односторонний клапан Николы Теслы
Лаборатория прикладной математики Нью-Йоркского университета
Односторонний водяной клапан без движущихся частей, изобретенный более 100 лет назад Никола Тесла, может быть адаптирован для перекачивания жидкости вокруг двигателей, используя в противном случае потерянную энергию.
Тесла запатентовал свой «клапанный канал» в 1920 году.По сути, это труба со сложной внутренней конструкцией, которая заставляет жидкость двигаться в одном направлении, чтобы петли возвращаться к самой себе в различных точках по своей длине.
Когда вода попадает в устья петель, она становится турбулентной и замедляется, останавливая поток. Но если вы направите воду в обратном направлении, она не попадает в петли и течет свободно.
Лейф Ристроф из Нью-Йоркского университета и его коллеги построили 30-сантиметровую версию клапана, следуя первоначальному плану Теслы, и измерили поток в обоих направлениях при различных давлениях.
Хотя Тесла утверждал в своем патенте, что клапан может сделать поток воды в 200 раз медленнее в одном направлении, чем в другом, исследователи обнаружили, что их версия только в два раза медленнее. «Он был очень изобретательным парнем, — говорит Ристроф. «Немного неясно, действительно ли он это сделал и испытал. Я подозреваю, что да, но об этом нет никаких документов «.
Хотя эффект был намного ниже, чем заявлял Тесла, клапан по-прежнему является полезной конструкцией, говорит Ристроф, тем более что у него нет движущихся частей, поэтому он не требует обслуживания.
«Он был известен и использовался в некоторых приложениях или, по крайней мере, был предложен для использования. Но на самом деле никто никогда не проводил тщательных гидродинамических исследований, чтобы выяснить, как это работает, насколько хорошо работает », — говорит Ристроф.
Команда обнаружила, что не было никакой разницы в сопротивлении между прямым и обратным ходом при малых расходах. Вместо этого клапан резко активирует потоки выше примерно 1 сантиметр в секунду и значительно сопротивляется обратному потоку.
Ристроф считает, что Тесла, который также имел патент на электрический преобразователь переменного тока в постоянный, придумал клапанный канал, который будет делать то же самое для потоков жидкости.Электричество переменного тока заставляет электроны постоянно менять свое направление, но при преобразовании в постоянный ток они эффективно движутся по петле. Его команда сделала кольцо из водяных клапанов Теслы, чтобы имитировать электрический преобразователь Теслы, и обнаружила, что он успешно принимает колеблющуюся воду, колеблющуюся назад и вперед поршнем, и превращает ее в постоянный поток воды в одном направлении, эффективно превращая его в насос.
Команда считает, что конструкция может использовать вибрации двигателей и другого оборудования для перекачки топлива, охлаждающей жидкости, смазочных материалов и других газов и жидкостей.
«Представьте, если бы у вас были эти гидравлические насосные системы, которые в основном принимали вибрацию от мотора, которая там есть, и заставляла их распространять ее. В нем нет движущихся частей. Ничего не ломается, — говорит Ристроф.
Ссылка на журнал: Nature Communications , DOI: 10.1038 / s41467-021-23009-y
Подробнее по этим темам:
Клапан Тесла — пластик — односторонний клапан без движущихся частей
Клапанный канал Николы Тесла — еще одно из его забытых изобретений.Изобретенный в 1920 году, он не получил должного внимания. Что это такое? Проще говоря, это односторонний клапан. В этом нет ничего особенного. Что делает его особенным, так это то, что в нем НЕТ движущихся частей. Задумайтесь об этом на мгновение. Как работает клапанный канал?В дизайне используется особая форма. Когда газ / жидкость течет в одном направлении, он слегка меняет направление, зигзагообразно, но относительно неограничен и не встречает большого сопротивления. Однако, когда он течет в другом направлении из-за конструкции, газ / жидкость разделяются на две части.Затем эти потоки встречаются почти лицом к лицу. Это вызывает некоторое сопротивление. Это повторяется много раз, каждый раз снижая давление / расход. Этот тип клапана никогда не будет работать в качестве уплотнения для вашей винной бутылки, он просто не работает так хорошо при низком давлении. Однако, когда используются высокие давления, это вступает в силу, и соотношение между двумя направленными потоками становится все выше и выше.
Почему Тесла изобрел это?
Тесла изобрел клапанный канал примерно в то время, когда работал с турбинами Тесла.Кажется, это скорее дополняет его работу с турбинами Тесла, чем является отдельным изобретением. Турбины Тесла в первую очередь работают с ламинарными потоками (устойчивыми потоками) и лучше работают при более высоких давлениях. Проведенные мною эксперименты показывают, что клапан Тесла, с другой стороны, лучше всего работает с импульсным потоком. Фактически, он становится очень эффективным при импульсных потоках высокого давления.
Как использовать Удивительно, что клапанный канал можно продемонстрировать, просто надув в него воздух. Ударьте в один конец, и мало что пройдет.Подуйте в другой конец, и воздух пройдет намного легче: чем выше давление, тем сильнее ограничение. Как остановить газ / жидкость, если нет никаких механических препятствий? Ответ на удивление прост. Физическим ограничением становится сам газ / жидкость.
Когда наиболее эффективно? При высоких давлениях.
Эксперименты с воздушным компрессором и более высоким давлением. При продувке клапана будет произведено не более нескольких фунтов на квадратный дюйм, поэтому утечки не будут проблемой.Используя сжатый воздух при более высоком давлении (100 фунтов на квадратный дюйм или выше), вы можете обнаружить странную утечку. Вероятно, это не будет большой проблемой для большинства экспериментов. В металлической версии винты torx могут быть затянуты намного плотнее, и, следовательно, будут присутствовать только крошечные утечки, опять же, это должно быть хорошо для 99% приложений. Если вам нужно идеальное уплотнение, тонкую прокладку можно обрезать по размеру, чтобы обеспечить лучшее уплотнение. Давление до 150 фунтов на квадратный дюйм было испытано как для пластиковых, так и для металлических версий. Мы не рекомендуем использовать пластиковую версию в течение длительного времени при таком давлении.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ — эта версия клапана Tesla изготовлена из механически обработанного черного пластика. Он поставляется с верхней пластиной из прозрачного пластика, поэтому внутренняя часть клапана видна. — Изобретение Николы Теслы — Односторонний клапан (ограниченный поток) без движущихся частей — Воздух и жидкости проходят свободно в одну сторону, но замедляются / останавливают движение. Другой способ — Вы можете продуть отверстия и определить разницу — При более высоких давлениях это становится очень эффективным — Внутренняя резьба M6 на каждом конце (адаптеры можно найти для большинства воздушных систем) — Поставляется с винтами Torx 22 x T10 для максимальной удерживающей силы -Пластиковое основание, обработанное с ЧПУ, -Резьбовые соединения M6. Видео#
Клапанный канал Теслы — Журнал Fluid Power
Никола Тесла хорошо известен своим вкладом в электротехнику, поэтому более чем удивительно слышать, что он также внес свой вклад в развитие гидравлической энергии.Благодаря популярности Интернета, многие из этих старых и забытых инвестиций обнаруживаются, включая устройство под названием «Tesla Valve».
Клапан Tesla похож на обычный клапан, но с одним ключевым отличием: абсолютно без движущихся частей. Его конструкция позволяет жидкости беспрепятственно течь в одном направлении, но в другом направлении жидкость блокируется. Тесла дает следующее объяснение в своем патенте ( Рис. 1 ): «Внутренняя часть канала снабжена расширениями, выемками, выступами, перегородками или ведрами, которые, хотя и не оказывают практически никакого сопротивления прохождению жидкости в одном корпусе. направления, отличные от поверхностного трения, представляют собой почти непреодолимую преграду для его потока в противоположном [направлении].”
Тот факт, что что-то запатентовано, не является доказательством того, что это действительно работает. Идея клапана без движущихся частей звучит интригующе. Такое устройство не требует значительного обслуживания и способно выдерживать суровые условия, такие как жара, влажность и многократное использование. По этой причине я решил выяснить, возможно ли такое устройство на самом деле.
Вычислительная гидродинамика (CFD)казалась идеальным способом не только измерить эффективность устройства, но и «заглянуть внутрь» устройства, чтобы увидеть, как оно на самом деле работает.Габаритных чертежей устройства нет, поэтому мне пришлось кропотливо отследить его по иллюстрациям в его патенте (с помощью линейки и транспортира). Создав модель, я смоделировал поток в каждом направлении — в блокирующем и в беспрепятственном.
На рис. 2 показана жидкость, движущаяся в блокирующем направлении (поток слева направо). Верхний кадр — это то, как поток выглядит изначально, переходя к полностью развитому потоку в четвертом кадре.Красным цветом обозначены области, в которых жидкость движется быстрее всего. В направлении блокировки поток следует извилистым путем вокруг внешних каналов устройства, как и предполагал Тесла. Из-за этого большая часть жидкости вынуждена следовать по длинному, узкому и турбулентному пути. Эффект — огромный перепад давления, из-за которого очень трудно протолкнуть жидкость в этом направлении.
На рис. 3 показано развитие жидкости в беспрепятственном направлении (справа налево).Через несколько секунд поток начинает плавно скользить по центру трубопровода. Синим цветом обозначены области практически без движения. Основная часть жидкости может двигаться по широкому и в основном ламинарному маршруту, и поэтому единственные потери происходят из-за поверхностного трения.
КомпанияTesla количественно оценила эффективность устройства, рассчитав соотношение сопротивления в одном направлении по сравнению с другим. Он сделал смелое заявление, что «сопротивление в обратном направлении может быть в 200 раз больше, чем в нормальном направлении […], так что устройство действует как слегка протекающий клапан.”
Насколько соответствует эта CFD-модель устройства? Первые модели были фактически вдвое короче изображенных (всего два сегмента). В этом случае сопротивление в направлении блокировки было в 15 раз больше, чем в направлении без препятствий (4,79 кПа против 0,318 кПа). Для изображенной версии с четырьмя сегментами это соотношение было колоссальным 40,8 (23,7 кПа против 0,581 кПа). Иллюстрация в патенте Теслы включала в общей сложности 11 сегментов. Хотя я не моделировал полную версию, кажется правдоподобным, что коэффициент давления 200 может быть достигнут.
Если устройство действительно заработало, почему мы не используем его до сих пор? Тесла разработал клапан как часть своего нового парового двигателя в надежде повысить эффективность электростанции. Однако менее чем через месяц после того, как Тесла подал патент, ему пришлось подать заявление о банкротстве. Это положило конец многим амбициозным проектам, над которыми он работал. К тому времени, когда срок действия патента истек 20 лет спустя, об устройстве уже было забыто.
Бесчисленные патенты постигли схожую судьбу, так и не сумев реализовать свой потенциал.Хотя есть много патентов, которые не работают так, как рекламируется, существует столько же совершенно действующих и полезных патентов. Чтобы отделить хорошее от плохого, нужны работа и навыки, но от этого можно получить много пользы.
Новые патенты дороги и временны. Старые патенты бесплатны и гарантированы навсегда. Хотя нам нужны новые идеи, есть еще целый мир существующих инноваций, которые только и ждут, чтобы их развить. Нет ничего плохого в том, чтобы взять старую идею и превратить ее во что-то новое и полезное.Для каждой проблемы существует множество потенциальных решений, и лучшее решение может включать в себя то, что уже существует.
Инженерыпересмотрели 100-летнюю конструкцию водяного клапана
Исследователи из Нью-Йоркского университета недавно пересмотрели 100-летнюю конструкцию одностороннего водяного клапана, разработанную Николой Тесла, и пришли к выводу, что ее можно использовать сегодня для повышения эффективности двигателя за счет использование энергии, которая иначе была бы потрачена впустую, объясняет отчет New Scientist .
Конструкция «клапанного канала» Николы Теслы, также известная сегодня как «клапан Тесла», была запатентована в 1920 году.Конструкция, представляющая собой серию взаимосвязанных петель в форме брелка, была создана для того, чтобы жидкость могла проходить только в одном направлении без движущихся частей.
Если вы отправляете жидкость через один конец «клапанного канала», она возвращается в петлю, препятствуя потоку. Однако отправьте его в другом направлении, и он потечет свободно.
«В то время как Тесла известен как волшебник электрических токов и электрических цепей, его менее известная работа по управлению потоками или жидкостными токами действительно опередила свое время», — пояснил Лейф Ристроф, доцент Нью-Йоркского университета. пресс-релиз.
Для проверки клапана Ристроф и его команда использовали оригинальную конструкцию Теслы для создания 30-сантиметровой версии. Затем команда измерила поток в обоих направлениях при разном давлении.
Приложения переменного тока, адаптированные для одностороннего клапана для жидкости
Интересно, что исследователи обнаружили, что их версия клапана делала поток жидкости в два раза медленнее при движении в неправильном направлении — в оригинальном патенте Теслы говорилось, что конструкция делает поток воды в 200 раз медленнее. когда едешь в неправильном направлении.
Они также обнаружили, что клапан работает лучше всего, когда поток воды идет импульсами или колебаниями, которые преобразуются устройством в плавно направленный выход жидкости.
Исследователи объяснили, что это импульсное действие очень похоже на процесс, с помощью которого преобразователи переменного тока в постоянный — также запатентованные Tesla — преобразуют переменный ток в постоянный. Когда переменное электричество преобразуется в постоянный, электроны перестают менять свое направление и эффективно движутся по петле.
«Мы думаем, что это то, что Тесла имел в виду для устройства, поскольку он думал об аналогичных операциях с электрическим током», — заявил Ристроф.«На самом деле он наиболее известен тем, что изобрел двигатель переменного тока, а также преобразователь переменного тока в постоянный».
В своем исследовании команда Нью-Йоркского университета объяснила, что эту конструкцию можно использовать сегодня, чтобы использовать в противном случае бесполезную энергию из-за вибраций машины и двигателя, чтобы эффективно перекачивать топливо, охлаждающую жидкость, смазку и другие жидкости.
Подобно тому, как новаторская работа Tesla с переменным током может привести к новым инновациям, таким как дороги для зарядки электромобилей, «клапанный канал» может быть использован для повышения эффективности машин будущего.
Блестящее изобретение Николы Теслы 100-летней давности только начинает обретать смысл
Предоставлено: общественное достояние.Эксцентричный ученый и выдающийся изобретатель Никола Тесла известен тем, что разработал основу для электроэнергии переменного тока, которую сегодня использует большая часть планеты. Но сербско-американский изобретатель, эмигрировавший в Нью-Йорк в 1884 году, владел почти 300 патентами на такие изделия, как двигатели, радиоприемники, пульты дистанционного управления, рентгеновские лучи, неоновые вывески и многие другие чудесные устройства и приспособления.
Многие из этих изобретений используются до сих пор или каким-то образом оказали сильное влияние на современные технологии. Но один из менее известных патентов Теслы, макрожидкостный клапан, только недавно получил признание за его гениальность и ценность.
Ученый запатентовал свой «клапанный канал», также известный как «клапан Тесла», в 1920 году. По сути, это односторонний жидкостный клапан без движущихся частей, состоящий из трубы с сложной серией отклоняющихся петель в форме капли. Конструкция такова, что вода может легко течь в одном направлении, но когда направление меняется на противоположное, поток почти полностью блокируется, по крайней мере, так заявлено в первоначальном патенте.
В новом исследовании физика клапана Тесла была пересмотрена исследователями из Нью-Йоркского университета, которые построили 30-сантиметровую копию клапана, следуя первоначальному плану Теслы. Затем они провели серию экспериментов и измерили поток в обоих направлениях при разных значениях давления.
«Примечательно, что это 100-летнее изобретение до сих пор не до конца изучено и может быть использовано в современных технологиях способами, которые еще не рассматривались», — объясняет Лейф Ристроф, доцент Института математических наук Куранта при Нью-Йоркском университете. старший автор статьи.«Хотя Тесла известен как волшебник электрических токов и электрических цепей, его менее известная работа по управлению потоками или токами жидкости действительно опередила свое время».
Хотя Тесла утверждал, что его клапан будет делать поток жидкости в 200 раз медленнее в одном направлении, чем в другом, копия исследователей сокращает поток только наполовину.
Сравнение потоков в обратном направлении (справа налево) на трех разных скоростях. Течение воды визуализируется зелеными и синими красками, показывая, что потоки все больше нарушаются на более высоких скоростях.Предоставлено: Лаборатория прикладной математики Нью-Йоркского университета.Однако исследователи выяснили, что клапан Тесла сложнее, чем предполагалось изначально. При малых расходах разница между прямым и обратным потоками практически отсутствует. Но выше определенного порога клапан резко «включился», как выключатель, и значительно сопротивлялся обратному потоку.
«Что особенно важно, это включение приводит к возникновению турбулентных потоков в обратном направлении, которые« закупоривают »трубу вихрями и разрушающими токами», — объясняет Ристроф.«Более того, турбулентность возникает при гораздо более низких расходах, чем когда-либо ранее наблюдалось для труб более стандартных форм — до 20 раз меньшей скорости, чем обычная турбулентность в цилиндрической трубе или трубе. Это показывает мощность, которую он имеет для управления потоками, которые можно использовать во многих приложениях ».
Более того, клапан регулирует обратный поток даже лучше, когда поток не является стабильным. Если поток идет импульсами или колебаниями, устройство сглаживает поток жидкости, что делает устройство идеальным для использования в условиях высокой вибрации.Это очень похоже на то, как преобразователи переменного тока в постоянный преобразуют переменный ток в постоянный.
«Мы думаем, что это то, что Тесла имел в виду для устройства, поскольку он думал об аналогичных операциях с электрическим током», — замечает Ристроф. «На самом деле он наиболее известен тем, что изобрел двигатель переменного тока, а также преобразователь переменного тока в постоянный».
Хотя сужающий эффект клапана намного ниже, чем утверждал Тесла более века назад, его конструкция все еще полезна.У него нет движущихся частей, в отличие от других клапанов, которым требуются пружины и другие детали, требующие регулярного обслуживания и замены. Ристроф и его коллеги представляют ряд приложений, в которых клапан Тесла может оказаться полезным, например, использование вибраций в двигателях для перекачки топлива, смазочных материалов и других жидкостей.
Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки увеличивают периодичность макрожидкостного клапана Тесла
Экспериментальные испытания при постоянном воздействии
Сначала мы экспериментально охарактеризуем гидравлическое сопротивление или вызванные потоком потери давления для диода Тесла в условиях фиксированных перепадов давления, эта величина систематически варьировалась для изучения скорость потока в обоих направлениях.Мы реализуем канал, форма которого в плане или геометрия вида сверху соответствует оригинальной конструкции Теслы 10 , и мы стремимся к числам Рейнольдса, варьирующимся на несколько порядков, причем последнее важно для нашего более позднего сравнения устойчивого и нестационарного (колебательного) воздействия. Мы оцифровываем план, показанный на рис. 1a, и производим макромасштабную версию трубопровода с помощью лазерной резки и приклеивания прозрачного акрилового пластика, трехмерное изображение которого показано на рис. 1b. Мы выбрали шкалу, которая вместе с использованием воды и водно-глиеркольных смесей в качестве рабочих жидкостей позволяет охарактеризовать канал в диапазоне от низкого до высокого Re.Общая длина L, = 30 см, средняя влажная ширина w = 0,9 см и глубина d = 1,9 см.
Чтобы задавать и контролируемым образом изменять перепад давления в канале, мы спроектировали и сконструировали устройство, разрез которого показан на рис. 1c. Две камеры бака соединены только трубопроводом, и уровень жидкости в каждой может быть установлен и стабильно поддерживаться с помощью механизмов перелива. Перепад уровня Δ h устанавливается двумя регулируемыми внутренними трапами, высота которых может изменяться независимо.Перепад гидростатического давления в канале Δ p = ρ г Δ ч , где ρ — плотность жидкости, а г = 980 см / с 2 — ускорение свободного падения 6 . Жидкость течет со стороны высокого давления на сторону низкого давления через канал с объемным расходом Q и выходит в резервуар с такой же скоростью. Насос забирает жидкость из резервуара, слегка переливая через верхнюю часть и таким образом поддерживая ее уровень.Система закрытая и работает бессрочно. Таким образом, перепад давления может быть наложен и зарегистрирован путем измерения высоты колонки с помощью линейки, а объемный расход Q измерен путем перекрытия нижнего слива стаканом известного объема и считывания времени наполнения с помощью секундомер. Направление потока изменяется простым изменением камеры с более высоким уровнем.
Измеренный расход Q в зависимости от Δ ч для чистой воды показан на рис.2а. Как и ожидалось, увеличение разницы по высоте приводит к увеличению расхода как в прямом, так и в обратном направлениях, как показано на рис. 1b. Расход Q монотонно, но нелинейно увеличивается с Δ h . Важно отметить, что для одного и того же Δ h , Q больше для прямого направления, чем для обратного, для всех значений Δ h . Эта анизотропия более отчетливо видна на рис. 2b, где сопротивление R = Δ p / Q построено в зависимости от Q для прямого и обратного направлений.Для всех Q сопротивление в обратном направлении больше, и это несоответствие увеличивается с Q .
Рис. 2: Экспериментальная характеристика канала Теслы при постоянном давлении.a Расход Q при изменении напора Δ h и перепада давления Δ p = ρ г Δ h для случая чистой воды в качестве рабочего тела. Прямое (красное) и обратное (синий) направления показывают разные Q для одного и того же Δ p .Здесь и в других местах полосы ошибок подавляются, если они меньше размера символа (см. Текст). b Гидродинамическое сопротивление R = Δ p / Q по сравнению с Q для прямого и обратного направлений. c Безразмерные формы разности давлений (число Хагена Hg) в зависимости от расхода (число Рейнольдса Re). График объединяет данные для чистой воды и водно-глицериновых растворов, чтобы охватить широкий диапазон Re. d Коэффициенты трения f D = (Δ p / L ) / ( ρ U 2 /2 D ), безразмерная форма падения давления, подходящая для турбулентного потока .Также показаны кривые, представляющие предыдущие измерения для гладких и шероховатых труб. e Diodicity Di или отношение обратного сопротивления к прямому в зависимости от Re. Полоса представляет собой распространенные стандартные ошибки, определенные в результате повторных измерений.
Ошибки для данных на рис. 2a и b, определенные множественными измерениями при каждом условии, меньше, чем символы, и на этих графиках подавлены. Погрешности в Δ h составляют около миллиметра из-за высоты мениска, затрудняющего считывание уровня воды.{3} \), где μ — вязкость жидкости, U = Q / w d — усредненная по сечению скорость потока через канал, а D = 4 V w / S w = 0,8 см — его гидравлический диаметр, рассчитанный из общего смачиваемого объема V w и площади смачиваемой поверхности S w . {2} \), которая характерна для турбулентного потока 6 .Интересно, что разница в сопротивлении возникает вместе с нелинейностью масштабирования Hg-Re.
Традиционным обезразмериванием сопротивления, используемым при исследовании потока в трубах и каналах, является коэффициент трения Дарси f D = (Δ p / L ) / ( ρ U 2 /2 D ), который нормализует перепад давления по инерционным шкалам 42,44 . На рис. 2d мы наносим наши измерения \ ({f} _ {{\ rm {D}}} ({\ rm {Re}}) \) для прямого и обратного потока через трубопровод Теслы.Для сравнения мы включили в эту так называемую диаграмму Муди предыдущие результаты по круглым трубам 45 . Две показанные кривые соответствуют гладким трубам, а одна — высокой шероховатости, у которой отклонения стенок составляют 10% от среднего диаметра. Форма \ ({f} _ {{\ rm {D}}} = 64 / {\ rm {Re}} \) соответствует закону Хагена – Пуазейля и хорошо применяется как для гладких, так и для грубостенных труб в ламинарном слое. режим течения \ ({\ rm {Re}} \, <\, 2000 \) 46 . После переходной области хорошо развитая турбулентность имеет тенденцию запускаться при более высоких \ ({\ rm {Re}} \,> \, 4000 \), для которых f D более постоянна с Re и увеличивается с шероховатостью. .Для сравнения, канал Теслы уходит от масштабирования ламинарного потока при значительно более низком \ ({\ rm {Re}} \ приблизительно 100 \). Кроме того, значения трения первого порядка при более высоких значениях Re существенно выше, чем для турбулентного потока через гладкие и шероховатые трубы, что отражает высокий импеданс, обусловленный сложной геометрией.
При интерпретации этих результатов важно отметить, что связь между масштабированием \ ({\ rm {Hg}} ({\ rm {Re}}) \) или \ ({f} _ {{\ rm {D}}} ({\ rm {Re}}) \) с состоянием потока (ламинарным или турбулентным) выполняется только для достаточно длинных и тонких каналов.{-1} \)) масштабирование даже для ламинарного потока 6,42 . Чтобы гарантировать, что входные эффекты незначительны для турбулентных потоков, отношение длины к диаметру обычно рекомендуется превышать примерно 40 47 , что почти удовлетворяется значением L / D = 38 для трубопровода Теслы. Для ламинарного потока соотношение сторон должно превышать (безразмерную) входную длину примерно \ ({\ rm {Re}} / 30 \) 6 , что удовлетворяет для \ ({\ rm {Re}} \ lesssim 1000 \) для клапанного канала.Эти оценки предполагают, что представленные здесь результаты являются репрезентативными для достаточно тонких геометрических форм, для которых масштаб падения давления может быть связан с состоянием потока, и включение наших измерений в стандартную диаграмму Муди на рис. 2d является оправданным.
Характеристики канала как асимметричного резистора можно количественно оценить с помощью его диодичности или отношения значений сопротивления обратного направления к прямому 48 . Точно так же мы определяем это соотношение, используя безразмерные формы перепадов давления при том же Re: \ ({\ rm {Di}} ({\ rm {Re}}) = {{\ rm {Hg}}} _ {{\ rm {R}}} ({\ rm {Re}}) / {{\ rm {Hg}}} _ {{\ rm {F}}} ({\ rm {Re}}) = {f} _ {{ \ rm {D, R}}} ({\ rm {Re}}) / {f} _ {{\ rm {D, F}}} ({\ rm {Re}}) \), где нижние индексы указывают в обратном (R) и прямом (F) направлениях.На рис. 2e кривая показывает, как Di изменяется в зависимости от Re, а полоса представляет распространенные ошибки, основанные на повторных измерениях. При малом Re Di близко к единице и остается таковой до \ ({\ rm {Re}} \ приблизительно 100 \). В узком переходном диапазоне \ ({\ rm {Re}} = 100 \! — \! 300 \) диодическая функция канала внезапно «включается» или активируется, а для \ ({\ rm {Re} } = 300 \! — \! 1500 \) мы находим Di ≈ 2. Дальнейшая работа должна исследовать поведение для \ ({\ rm {Re}} \,> \, 2000 \).
Интересно, что включение диодичности, показанное на рис.2e сопровождается нелинейным масштабированием падения давления с расходом (рис. 2c) и отклонением от закона трения ламинарного потока (рис. 2d). Эти результаты предполагают, что диодическая функция тесно связана с переходом к турбулентному потоку, который происходит значительно раньше (при более низком Re), чем наблюдаемый для гладких и шероховатых труб.
Визуализация потока и ранняя турбулентность
Чтобы понять механизмы, лежащие в основе этих наблюдений, мы теперь визуализируем внутренние потоки в канале.Сначала мы сосредотачиваемся на переходном значении \ ({\ rm {Re}} = 200 \), для которого мы вводим нейтрально плавучий краситель вверх по течению и записываем фотографии и видео с помощью камеры, установленной для просмотра формы в плане. Канал чистый и с задней подсветкой, и на полученных изображениях видны полосы потока 6 . Две соседние полосы около середины канала имеют цветовую кодировку с использованием синего и зеленого красителей. На рис. 3а показан случай течения в прямом направлении. Штриховые линии остаются в центральном коридоре по всей длине канала и незначительно отклоняются при прохождении периодических структур.Детали плавно извилистого пути можно увидеть на увеличенном изображении на рис. 3c. Напротив, обратное направление включает усиленные боковые отклонения потоков, которые в конечном итоге приводят к сильному перемешиванию, как показано на рис. 3b. Входящие волокна рикошетируют от внутренних структур, при этом перенаправление незначительно при прохождении первых «островов» или перегородок, но быстро растет вниз по потоку после повторяющихся взаимодействий. В конечном итоге потоки перенаправляются в углубления, и жидкость хорошо перемешивается к концу канала.Некоторые ступени, которые дестабилизируют изначально ламинарный поток, можно увидеть в увеличенном масштабе на рис. 3d.
Рис. 3: Визуализация течения полосовой линии при \ ({\ rm {Re}} = 200 \) с использованием красителя, введенного выше по потоку.a , c Прямое направление. Две соседние нити остаются в центральном коридоре канала с небольшими боковыми отклонениями. b , d Обратное направление. Нити рикошетируют от периодических структур, все более резко отклоняются, прежде чем перенаправляются вокруг «островов» и перемешиваются.
Далее мы стремимся связать переход сопротивления и включение диодичности с изменениями состояния потока для различных чисел Рейнольдса. На рис. 4 мы сравниваем обратные потоки, визуализированные при \ ({\ rm {Re}} = 50 \), 200 и 400, соответствующие условиям непосредственно перед, во время и сразу после включения, соответственно. Для \ ({\ rm {Re}} = 50 \) волокна красителя остаются на соответствующих сторонах канала, рассредоточенные путем взаимодействия с островками, но не перемешиваясь. Наблюдается ламинарность течений и постоянство их по всему каналу.Для \ ({\ rm {Re}} = 400 \) неустойчивость полосовых линий очевидна за пределами первых единиц, после чего волокна быстро объединяются на нескольких единицах, давая хорошо перемешанные потоки на большей части длины. Для сравнения, переходное состояние \ ({\ rm {Re}} = 200 \) демонстрирует гибрид этих свойств: нити устойчивы и ламинарны на первых 3 или 4 единицах, становятся неустойчивыми и поперечными, а затем достигают почти полное перемешивание к концу.
Рис. 4: Переход в состояние обратного потока при увеличении числа Рейнольдса.— визуализация полосовой линии при \ ({\ rm {Re}} = 50 \). Нити, окрашенные в синий и зеленый цвета, рассеиваются, но не перемешиваются, и поток по трубопроводу устойчивый. a При переходном значении \ ({\ rm {Re}} = 200 \) нити ламинарны и устойчивы в течение первых нескольких единиц, неустойчивы и перемешиваются в середине и почти полностью перемешиваются к концу канал. c При \ ({\ rm {Re}} = 400 \) неустойчивые и хорошо перемешанные потоки появляются на большей части русла.
Эти результаты подтверждают необратимость высокой Re, о которой сообщалось в предыдущих исследованиях, в которых подчеркивался обходной путь обратных потоков 21,22,25 . Наши визуализации раскрывают природу нестабильности обратного потока, а также степень перемешивания, которую мы связываем с увеличением диссипации и сопротивления. Неустойчивые потоки и повышенное сопротивление являются отличительными чертами турбулентного потока, который вызывается для Re в тысячах для потока в трубе и канале 6,49 .Наши визуализации дестабилизации потока в канале Теслы при значительно более низком \ ({\ rm {Re}} = 200 \) предлагают дополнительные доказательства раннего перехода к турбулентности, вызванной сложной геометрией.
При интерпретации этого явления ранней турбулентности может возникнуть опасение, что число Рейнольдса, определенное здесь на основе средней скорости, неадекватно отражает местные условия потока в различных точках трубопровода. Однако тщательный анализ обратных потоков в дополнительном видео показывает, что скорости на разных участках вдоль центральной и отводной полосы сопоставимы друг с другом, а разница составляет менее 50%.Следовательно, возникновение турбулентности при необычно низком уровне \ ({\ rm {Re}} \ приблизительно 200 \) нельзя отнести к локальным скачкам скорости потока, достаточно значительным, чтобы достичь обычного переходного значения \ ({\ rm {Re}} \ около 2000 \) для трубного потока. Альтернативная интерпретация раннего возникновения турбулентности дается в наших заключительных обсуждениях.
Нестабильное форсирование жидкостного преобразователя переменного тока в постоянный
Определив характеристики трубопровода Теслы для устойчивых перепадов давления, мы теперь рассмотрим нестационарное форсирование, при котором внутренние потоки заставляют колебаться.Чтобы оценить гипотезу Теслы об улучшенных характеристиках пульсирующих потоков 10 , мы проведем аналогию между электрическими и жидкостными цепями и рассмотрим двухполупериодный выпрямитель, который использует четыре диода, расположенных в виде моста, чтобы преобразовать наложенный переменный ток (переменный ток ) в одной ветви в направленный ток (DC) во второй ветви 50 . Электрическая схема схематически представлена на рис. 5а. Источник переменного тока находится слева, а направление каждого идеального диода указано стрелкой.Эти элементы соединены проводящими проводами, а направления тока показаны красным и синим цветом для двух полупериодов источника переменного тока. Когда ток направляется вверх через источник, только два диода с благоприятным смещением проводят ток, и ток следует по красному пути. В следующем полупериоде другая пара диодов проводит, и ток идет по синему пути. Таким образом, в то время как входная ветвь является чисто переменным током или колебательной, выходная ветвь внизу показывает компонент постоянного тока или ненулевое среднее значение.
Рис. 5: Электронный преобразователь переменного тока в постоянный и аналогичный гидравлический насос.a Электрическая цепь с четырьмя идеальными диодами, которые преобразуют источник переменного тока (AC, левая ветвь) в постоянный ток (DC, нижняя ветвь). Красные и синие линии показывают путь и направление тока на разных фазах цикла переменного тока. b Вид в разрезе аналогичного жидкостного контура с четырьмя диодами Тесла и источником пульсирующего потока. В экспериментальном устройстве используется возвратно-поступательный поршень с амплитудой A, и частотой f в качестве источника переменного тока в одной ветви, а поток постоянного тока измеряется во второй ветви. c Усредненный по секциям расход, заданный в ветви переменного тока (вверху) и измеренный в ветви постоянного тока (внизу) для A = 1,9 см и f = 4 Гц. Средний расход U DC > 0 указывает на успешное преобразование переменного тока в постоянный или перекачку. Врезка: профили скорости потока пробы, измеренные с помощью PIV.
На рисунке 5b показана схема жидкостного аналога, который мы проектируем, конструируем и тестируем. Нарезанные лазером и склеенные кабели Тесла служат диодами, возвратно-поступательный поршень заменяет источник переменного тока, и эти элементы соединяются в виде моста через трубопроводы.Контур заполнен водой, а положение поршня регулируется синусоидально во времени с амплитудой A и частотой f , управляемо изменяемой с помощью шагового двигателя с высоким крутящим моментом (Longs Motor) и контроллера Arduino. Поскольку поршень полностью изолирует окружающий цилиндр, поток в ветви переменного тока является чисто колебательным. Затем диодическое поведение трубопроводов проявляется как однонаправленный или направленный ток (постоянный ток) в нижней ветви. Чтобы оценить это, мы используем Velocimetry изображения частиц (PIV) для измерения поля скорости потока вдоль сегмента прозрачного патрубка постоянного тока.Область опроса длиной 5 см заключена в прямоугольную водяную рубашку для минимизации оптических искажений 51 . Следуя процедурам из более ранних исследований 52,53,54 , мы заполняем воду частицами (полые стеклянные микросферы приблизительного диаметра 50 мкм, м, 3M), чья почти нейтральная плавучесть обеспечивается путем отбора из колонны фракционирования в воде. Лазерный лист (1,25 Вт CW, зеленый, CNI) толщиной 0,5 мм просвечивается через среднюю плоскость вдоль секции PIV, и результирующие движения частиц записываются с помощью высокоскоростной камеры (12 МП, 150 кадров в секунду, Teledyne Dalsa Falcon2) .Постобработка с помощью установленного алгоритма PIV 55 , эти данные обеспечивают профиль скорости потока в трубе с временным разрешением в каждом цикле колебаний и в течение общей продолжительности не менее 10 циклов.
Типичные данные показаны на рис. 5c для одного набора A и f . На верхней панели представлена скорость потока, усредненная по поперечному сечению в ветви переменного тока, где синусоидальные колебания \ (2 \ pi Af \ sin (2 \ pi ft) \) соответствуют движениям поршня.На нижней панели представлена измеренная усредненная по секции скорость потока в ветви постоянного тока, а на вставке показан профиль скорости потока, предоставленный PIV в двух точках цикла. В каждый момент времени t две половины профиля (разделенные пополам по оси трубы) усредняются, и предполагается, что осесимметрия достигает средней скорости по сечению. Поразительно, что поток имеет доминирующую составляющую постоянного тока U DC , и профили потока остаются однонаправленными на протяжении всего колебательного цикла.Таким образом, схема достигает цели преобразования переменного тока в постоянный или накачки. Выходной поток также показывает слабую переменную составляющую амплитуды Δ U . Эти пульсационные колебания возникают на удвоенной частоте возбуждения f , так как оба полупериода входа переменного тока вносят вклад в выход постоянного тока.
Для более общей оценки насосных характеристик контура мы систематически меняем входные параметры переменного тока A, и f и измеряем среднюю по секциям скорость потока постоянного тока U DC , что эквивалентно объемному потоку ( объем на единицу площади поперечного сечения и время).На рисунке 6a показано, как U DC меняется с A и f . В любых условиях движения U DC > 0, и система обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Как и ожидалось, выход U DC увеличивается с входами A и f . На рис. 6а менее очевидно то, что отклик нелинейный. Чтобы прояснить это, мы определяем эффективность насоса как E = U DC /4 A f .Эта нормализация выбрана таким образом, что идеальные или идеальные диоды дают E = 1: объем жидкости, пропорциональный перемещению поршня 2 A впрыскивается в ветвь постоянного тока при каждом такте длительностью 1/2 f , при этом два гребка в каждом цикле с одинаковым вкладом. На рис. 6b показана зависимость эффективности E от частоты f и безразмерной амплитуды A / D . Тот факт, что E <1 для всех условий, отражает неидеальную природу или "утечку" диода.Интересно, что само значение E увеличивается как с A, , так и с f , количественно оценивая нелинейный отклик U DC . То есть удвоение A или f приводит к непропорционально большему значению U DC . Для условий, изученных здесь, мы достигли E ≈ 0,5, и тенденции предполагают, что еще более высокая эффективность будет достигнута при более сильном вождении.
Рис. 6: Характеристики гидравлического преобразователя переменного тока в постоянный или насоса.a Средняя скорость потока постоянного тока U Постоянный ток в зависимости от амплитуды возбуждения A и на разных частотах f . Репрезентативные полосы ошибок (черные) показывают стандартные ошибки среднего. b Эффективность выпрямления в зависимости от амплитуды, нормированной на гидравлический диаметр D . c Эффективность, измеренная экспериментально. Оси соответствуют нормированной амплитуде и безразмерной частоте или числу Уомерсли Wo 2 ∝ f .{2} \ cdot A / D \).
Полностью безразмерная характеристика показана на рис. 6c, где E сопоставлено с различными значениями A, / D и (в квадрате) числом Уомерсли Wo 2 = π ρ f D 2 /2 μ , который оценивает нестабильность пульсирующего потока путем сравнения частоты со шкалой времени для распространения импульса 56 . Исследованные здесь высокие значения Wo 2 = от 50 до 500 предполагают наличие пробкового профиля потока в секциях переменного тока.{2} \ cdot A / D \). Значительная накачка E > 0,1 происходит для \ ({\ rm {Re}} \) в сотнях, когда наблюдается включение диодичности для установившегося потока (рис. 2e).
Квазистационарная модель преобразователя переменного тока в постоянный
Схема выпрямления обеспечивает чистый контекст для оценки гипотезы Теслы об улучшенных характеристиках диода для пульсирующих потоков. Наша стратегия включает в себя формулировку модели, которая прогнозирует скорость насоса системы на основе ее характеристик установившегося потока, а затем сравнение этого прогноза с фактическими характеристиками, измеренными экспериментально.Квазистационарная модель рассматривает выпрямитель постоянного и переменного тока как сеть нелинейных резисторов, значения сопротивления которых изменяются в зависимости от расхода и направления, измеренных и охарактеризованных на рис. 2. Затем сеть может быть проанализирована стандартными методами для электронных схем, т.е. . путем решения неизвестных токов во всех сегментах с помощью уравнений сохранения тока / потока в каждом узле или переходе и падения напряжения / давления вокруг замкнутых контуров 50 .
Полные уравнения и расчеты модели доступны в разделе «Методы», и здесь мы выделяем ключевые допущения и этапы.Мы ищем мгновенный ток или объемный поток Q ( t ) через каждый сегмент цепи. Кривые сопротивления-тока для каждого диода даны путем подгонки шлицев к данным на рис. 2, где знак Q в каждом диоде определяет, применяется ли прямое или обратное сопротивление. Ветвь постоянного тока имеет постоянное сопротивление R DC , рассчитанное по закону Хагена – Пуазейля для потока в трубе 6 . Источник переменного тока накладывает \ ({Q} _ {{\ rm {AC}}} = 2 \ pi fAwd \ sin (2 \ pi ft) \) через мост.Для любого резистивного элемента перепады давления и токи связаны законом Ома Δ p = Q R , причем все величины зависят от времени. Законы Кирхгофа требуют, чтобы сумма падений давления вокруг каждого замкнутого контура была равна нулю, а сумма токов была равна нулю в каждом узле. Аргументы симметрии уменьшают неизвестные до постоянного тока ветви Q постоянного тока и двух диодных токов, например, до тех, которые проходят через крайнюю правую пару на рис. 5b. Один петлевой закон и два узловых закона дают три нелинейных алгебраических уравнения для этих неизвестных токов в каждый момент времени t .Дискретизация по времени и применение функции MATLAB fsolve дает численные решения для мгновенных токов. Тогда эффективность, прогнозируемая моделью, равна \ ({E} _ {{\ rm {M}}} = <{Q} _ {{\ rm {DC}}} (t)> / <| {Q} _ { {\ rm {AC}}} (t) |> \), где скобки указывают средние значения за период.
Сравнение устойчивой и нестабильной производительности
Модель предоставляет прогнозы для различных входных данных A и f , и эти результаты служат квазистационарной базовой линией, с которой можно сравнивать измеренную производительность в нестабильных условиях.На цветовой карте на рис. 7a мы изображаем так называемое усиление или относительное повышение экспериментально измеренной эффективности по сравнению с предсказанием модели: B = E / E M . Оси снова представляют собой безразмерные формы с амплитудой A / D и частотой Wo 2 . Более теплые цвета с B > 1 указывают на условия, при которых фактическая схема превосходит квазиустойчивые ожидания. Можно видеть, что устройство работает лучше, чем ожидалось, для всех, кроме самых низких значений A, и f , обеспечивая подтверждение гипотезы Теслы об улучшенных диодических характеристиках для пульсирующих потоков 10 .Кроме того, нестационарные эффекты, по-видимому, оптимально используются для низкоамплитудных и высокочастотных колебаний (красная область), для которых мы наблюдаем скачки до B ≈ 2,5 и, таким образом, более чем удвоение скорости накачки по сравнению с квазистационарной базовой линией. Экстраполяция этих данных предполагает еще большее улучшение для более высоких частот.
Рис. 7: Сравнение скорости накачки и пульсации в экспериментах и квазистационарной модели.a Коэффициент усиления B , количественно определяющий повышение эффективности накачки в экспериментах по сравнению с предсказанием модели.Маркеры указывают места измерений, а палитра интерполируется и экстраполируется в другое место. b Пульсация экспериментально измеренного выпрямленного потока, определяемая как отношение амплитуды пульсаций к средней скорости потока в ветви постоянного тока.
Еще одна точка сравнения между моделью и экспериментом включает колебания или рябь, проявляющиеся в сигнале ветви постоянного тока, пример из экспериментов, показанных на нижней панели рис. 5c. Мы определяем пульсацию P = Δ U / U DC как отношение амплитуды пульсаций к средней скорости накачки, которое можно оценить по экспериментальным измерениям и по выходным данным модели.В обоих случаях мы подгоняем форму \ ({U} _ {{\ rm {DC}}} + {{\ Delta}} U \ sin (2 \ pi ft + \ phi) \) к средней скорости потока по секциям для извлечения необходимых количеств. Плавный поток на выходе и, следовательно, низкий P обычно предпочтительнее для насосных систем. В квазистационарной модели мы наблюдаем равномерно высокое значение P M ≈ 1 для всех условий движения (данные не показаны). Это поведение аналогично электронному диодно-мостовому выпрямителю, выходной ток которого достигает минимального нуля, когда ток источника пересекает ноль, что приводит к колебаниям величиной с среднее значение.Как показано на карте на рис. 7b, реальный гидравлический контур оказывается намного более плавным с P ≈ 0,1 в условиях, исследуемых здесь. Таким образом, флуктуации на порядок меньше, чем предсказывает квазистационарная модель. Удивительно, но выход постоянного тока в экспериментах менее пульсирующий для более сильного возбуждения переменного тока, и высокое значение A , в частности, дает низкое значение P . Этот эффект и общее снижение пульсации по сравнению с квазистационарными ожиданиями может быть связано с инерцией потока, которая имеет тенденцию отфильтровывать флуктуации, но отсутствует в квазистационарной структуре.Эта гипотеза может быть исследована в моделях или симуляциях, которые включают инерцию.
Изобретение 100-летней Николы Теслы работает лучше, чем кто-либо предполагал, и мог бы иметь неиспользованный потенциал
Никола Тесла превратился из недооцененного гения в народного героя, изобретателя, с которым современные инженеры хотят ассоциироваться. Тем не менее его идеи были настолько разнообразны, что многие малоизвестны, включая то, что он назвал «клапанный канал».Исследование этого устройства для использования вибрации для перекачки топлива или других жидкостей показало, что его потенциал не реализован через 101 год после его патентования.
Точно так же, как угловые зазубрины позволяют твердому объекту двигаться в одну сторону, но препятствуют его удалению, устройство, теперь известное как клапан Тесла, использует серию петель, позволяющих жидкости течь в одном направлении, препятствуя противотоку. Не имея движущихся частей, клапаны Tesla намного более устойчивы, чем стандартные обратные клапаны. Первоначальный дизайн вдохновил на множество имитаций, попыток усовершенствования и видеороликов на Youtube, объясняющих, как он работает, но, похоже, они не охватили в полной мере очевидный простой патент.
«Примечательно, что это 100-летнее изобретение до сих пор не до конца изучено и может быть использовано в современных технологиях способами, которые еще не рассматривались», — сказал в своем заявлении доктор Лейф Ристорф из Нью-Йоркского университета.
Ристорф провел серию экспериментов над прототипом, построенным так, чтобы максимально соответствовать оригинальной конструкции Tesla, пытаясь проходить жидкости в обоих направлениях с разной скоростью и вязкостью жидкости. В Nature Communications Ристорф и соавторы сообщают, что при низких расходах жидкости одинаково легко проходят через клапан в каждую сторону.Однако обратный поток выше определенной скорости практически невозможен, в то время как скорость потока может быть намного выше в прямом направлении, если давление правильное.
Поток через клапан Тесла вперед с низкой (a) и высокой (b) скоростью, а также с низкой (c) и высокой (d) скоростью обратного потока. Изображение предоставлено: Нгуен и др. / Nature Communications«Важно отметить, что это включение приводит к возникновению турбулентных потоков в обратном направлении, которые« закупоривают »трубу вихрями и разрушающими токами», — пояснил Ристроф.«Более того, турбулентность возникает при гораздо более низких расходах, чем когда-либо ранее наблюдалось для труб более стандартных форм — до 20 раз меньшей скорости, чем обычная турбулентность в цилиндрической трубе или трубе».
Многие технологии хорошо работают в условиях постоянного потока, но не работают из-за колеблющихся сил, что является одной из причин того, что многие инновационные идеи по сбору энергии ветра или волн терпят неудачу в реальном мире. Клапан Тесла работает наоборот, он работает лучше, когда жидкость, входящая в него, поступает импульсами, преобразуя переменные входные данные в устойчивый выход.
«Мы думаем, что именно это Тесла имел в виду для устройства, поскольку он думал об аналогичных операциях с электрическими токами», — сказал Ристроф. «На самом деле он наиболее известен тем, что изобрел двигатель переменного тока, а также преобразователь переменного тока в постоянный».
На низких скоростях жидкости могут течь через клапан в обратном направлении, но сопротивление становится очень большим при более быстром потоке. Изображение предоставлено: Нгуен и др. / Nature CommunicationsФизика жидкостей работает совершенно иначе для малых объемов и высоких вязкостей, например, используемых в диагностическом оборудовании, по сравнению с более быстрыми движениями, которые Тесла стремился облегчить.Авторы считают, что это может быть одной из причин, по которой потенциал Valve так долго упускался.
По иронии судьбы, подтверждение Ристрофом Valve могло произойти в тот момент, когда некоторые из применений, которые он видит для этого, уменьшились, вытесненные компанией, названной в честь ее изобретателя.