特斯拉阀

特斯拉阀（英语：Tesla valve），其发明者称之为“valvular conduit”，是一种固定几何形状的被动止回阀。它限制流体优先向一个方向流动，而无需移动部件。该装置以其发明者尼古拉·特斯拉命名，他因这项发明于1920年获得美国专利第1,329,559号。该专利申请对本发明描述如下：

原始专利申请中特斯拉阀的横截面，显示了其十一段腔体设计。

于上游注入染料并进行Re=200的脉线流可视化：
（a）正向，两根相邻的细丝仍位于管道的中央走廊，仅发生很小的横向偏转。
（b）反向，这些细丝从周期性结构上反弹，偏转得越来越厉害，然后绕过“岛屿”并混合在一起。
（c）和（d）是放大的图像

管道内部设有扩大部、凹槽、突起部、挡板或桶状物，除了表面摩擦之外，它们实际上对流体在一个方向上的通过不产生任何阻力，但对流体在相反方向的流动却构成了几乎不可逾越的障碍。

特斯拉用图纸说明了这一点，展示了一种可能的结构，其中包含一系列十一个流量控制段，尽管可以根据需要使用任何其他数量的此类段来增加或减少流量调节效果。

压降比

阀门的结构使一个方向（反向）的压降比另一个方向（正向）的压降更高。这种流动阻力的差异导致振荡流中向前方向的净定向流速。效率通常用压降比$\mathrm {Di}$（diodicity）来表示，是方向阻力的比率。

流动阻力的定义类似于电学中有关电阻的欧姆定律，为施加的压降与产生的流速之比：

$R={\frac {\Delta p}{Q}}$，$\Delta p$是管道两端施加的压力差，$Q$是流速。

压降比就是反向流阻与正向流阻之比：$\mathrm {Di} ={\frac {R_{\rm {r}}}{R_{\rm {f}}}}$。如果$\mathrm {Di} >1$，所讨论的导管具有二极特性。

因此，压降比也是相同流速下压降的比率：

$\mathrm {Di} =\left({\frac {\Delta p_{\rm {r}}}{\Delta p_{\rm {f}}}}\right)_{Q},$

$\Delta p_{\rm {r}}$是流量$Q$下的反向（reverse）流动压降，而$\Delta p_{\rm {f}}$是正向（forward）流动压降。

同样地，压降比也可以定义为相同雷诺数下无量纲哈根数或达西摩擦因子的比值。

应用

由于没有活动部件，特斯拉阀门的耐磨性和抗疲劳性更强，特别是在压力频繁反转的应用中，如脉冲喷气式发动机。

固定阀微型泵中特斯拉阀的显微照片，从右到左的流量受到限制

特斯拉阀有于微观流体领域的应用，并具有可扩展性、耐用性，以及易于用多种材料制造等优势。它还用于宏流体应用和脉冲喷气发动机。2021年，小米宣布其部分手机将采用“环形冷泵”水冷技术。该技术使用特斯拉阀来确保水冷液的单向流动。

特斯拉阀的工作原理：上图显示了阻塞方向的流动：在每个段上，一部分流体会转向（红色）并干扰正向流动（黑色）。下图显示的是畅通无阻方向的流动（蓝色）。

对两段和四段特斯拉阀进行的计算流体力学模拟表明，阻塞（即反向）方向的流动阻力分别比畅通（即正向）方向的流动阻力大约高出15倍和40倍。这为特斯拉的专利主张提供了支持，即在他的图表中的阀门管道“可以获得大约200的压力比，因此该装置可以充当略微泄漏的阀门”。

然而，包括原始设计在内的稳定流实验表明，正反方向阻力的比率较小，数值大约在2到4。 研究还表明，该装置在脉动流下效果更好。

参见

• 宽德效应
• 止回阀
• 二极管
• 迷宫密封
• 静态混合器
• 阀门

外部链接

• YouTube上的Tesla Valve Explained With Fire
• YouTube上的Tesla Valve | The complete physics