特斯拉阀门的优化与改进仿真
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
３３
创新与实践
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１０，２０１９
图 ２ 特斯拉阀门特征长度和特征角度示意图 改变特征长度 时正反向流通效果 ３．１ 降压能力仿真结果
１）当使用图上构型，取 Ｌ＝１０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入 口和出口压降为：４．８８×１０４，反 向 流 通，入 口 和 出 口 压 降 为： ４９０×１０４。
流体反向流动时，由于特征长度 ５０ｃｍ过渡轨道开口长度 较大，流体会在此处扩散，在半圆形结构与过渡轨道处流速梯 度较大即此处半圆形结构中的流体分子与直导轨中的流体分 子碰撞明显，因此特征长度 ５０ｃｍ半圆形结构中的流体流速较 特征长度 １０ｃｍ、３０ｃｍ更小。
虽然过渡轨 道 开 口 长 度 较 小 时，过 渡 轨 道 中 流 体 流 速 更 快，但其作用范 围 小 而 无 法 对 直 导 轨 流 体 流 速 有 较 强 的 冲 击 力，反向阻塞性能不好。 改变特征角度 θ时正反向流通效果
２）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝６０°，正向流通时，入口和出口压降 为：５．２４×１０４，反向流通，入口和出口压降为：６．０６×１０４。
θ＝４５°时的结论在前文已经有所描述。
具体结论如下。
（１）由此可见，“ｙ字型”分叉口的倾斜角度没有超过 ４５°
时，对阀门的正向导通 性 能 基 本 没 有 影 响，但 当 “ｙ字 型 ”分 叉
特斯拉阀门介绍 特斯拉阀门是一种固定几何形状的被动单向导通阀，它的
存在可以使流体单向流通（即正向流通而反向阻塞），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，将这一组合通道 称为“特斯拉阀门”，名字源于 １９２０年特斯拉的专利，而其中半 圆环组成的阀门是其中的一个特例。其具备可扩展性，高耐用 性和材料来源广的特点。那么具体的结构参数会如何影响单 向流通性能。
口的倾斜角度过大后，在提升阀门反向阻塞性的同时，会降低
阀门的正向导通性。
（２）当“ｙ字型”分叉口倾斜角度较小为 ３０°时，反向阻塞
效能并不明；当“ｙ字型”分叉口倾斜角度为 ４５°时，反向阻塞效
能提升；当“ｙ字型”分叉口倾斜角度为 ６０°时，反向阻塞效能提
升地较为明显，但正向导通性能下降的更为明显，使得单向流
构建几何模型并且进行一定的几何度量如图 ２所示，特征 道完全闭合。所以可以利用压差比来衡量特斯拉阀性能。
的长度 Ｌ和角度 θ在图 ２中有所标注，从左到右为正向。因为 特斯拉阀门是不可动微阀，故其没有可动控制部件，不能使流
压差比：定义为器件反向压降与正向压降的比，压差比越 大说明特斯拉阀的阻断性越好。
口处有分流，而此轨道的倾斜程度会影响分流量的多少进而影 响反向阻塞的性能。
当反向流过特斯拉阀门时，在半圆形轨道与直形轨道接口 处会有来自两个方向的流体分子碰撞，而此接口的长度与倾斜 程度会影响流体分子碰撞的剧烈程度进而影响反向阻塞的性 能。同样当流体正向通过时也会受此影响进而影响正向流通 的性能。
当正向流过特斯拉阀门时，在半圆形轨道与直形轨道接口 处会有部分流 体 分 子 流 入 半 圆 形 轨 道，进 而 影 响 正 向 流 通 的 性能。
２）当使用 Ｌ＝３０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８７×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．７９×１０４。
３）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８９×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．８９×１０４。 ３．２ 结论
因此可以看出，当半圆形轨道与直形轨道之间的过渡轨道 的开口长度对流体正向流通的效能影响不大，但对反向阻塞效 能影响较为显著。
当该特斯拉阀门特征长度为 １０ｃｍ时反向阻塞效能极不 明显。当该特斯拉阀门特征长度为 ３０ｃｍ时，反向阻塞效能明 显提升。当该特斯拉阀门特征长度为 ５０ｃｍ时，反向阻塞效能 得到更显著的改善。
当流体反向 流 动 时，在 过 渡 轨 道 开 口 长 度 大 的 特 征 长 度 ５０ｃｍ，直形导轨中流体减速较大，减速范围较广，提升了反向 阻塞性能。
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图 １ 特斯拉阀门的正向流动和反向流动
将传统特斯拉阀门在半圆环轨道与直形轨道接口处进行 了修改，得到一个新构型。并对这个构型调整了各个参数，以 研究在不同参数下特斯拉阀门的单向导通性能的不同，寻找一 个单向导通性最理想的构型。
特斯拉阀门单向导通原理及其构型建模 正向与反向流动时如图 １所示。 当反向流过特斯拉阀门时，流体分子会在“ｙ字型”分叉口
技术与市场 ２０１９年第２６卷第１０期
创新与实践
特斯拉阀门的优化与改进仿真
冯鲁文，程泽
（西北工业大学 动力与能源学院理学院，陕西 西安 ７１０１２９）
摘 要：特斯拉阀门是一种单向流动的阀门，其正向流动与反向流动差别巨大，对一种特斯拉阀门进行了建模和 ｃｏｍｓｏｌ 仿真，得到了其正向与反向的压降结果，同时改变特征长度和特征角度多次进行仿真，成功的对特斯拉阀门的单向导通 能力进行了优化，其正向与反向流通能力差距更大，并做了实体实验进行了验证。 关键词：特斯拉阀门；ｃｏｍｓｏｌ仿真；特征长度；特征角度 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．１０．０１０
取上述仿真结论的最优解，即特征长度为 ５０ｃｍ时，针对 “ｙ字型”分叉口的倾斜程度”这一影响因素到底如何影响阀门 的单向导通性，倾斜角度为特征角度。设计了 ３个梯度构型。
并使用 ｃｏｍｓｏｌ对其进行压强与流速的仿真分析。
１）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝３０°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８８×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．３１×１０４。
３３
创新与实践
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１０，２０１９
图 ２ 特斯拉阀门特征长度和特征角度示意图 改变特征长度 时正反向流通效果 ３．１ 降压能力仿真结果
１）当使用图上构型，取 Ｌ＝１０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入 口和出口压降为：４．８８×１０４，反 向 流 通，入 口 和 出 口 压 降 为： ４９０×１０４。
流体反向流动时，由于特征长度 ５０ｃｍ过渡轨道开口长度 较大，流体会在此处扩散，在半圆形结构与过渡轨道处流速梯 度较大即此处半圆形结构中的流体分子与直导轨中的流体分 子碰撞明显，因此特征长度 ５０ｃｍ半圆形结构中的流体流速较 特征长度 １０ｃｍ、３０ｃｍ更小。
虽然过渡轨 道 开 口 长 度 较 小 时，过 渡 轨 道 中 流 体 流 速 更 快，但其作用范 围 小 而 无 法 对 直 导 轨 流 体 流 速 有 较 强 的 冲 击 力，反向阻塞性能不好。 改变特征角度 θ时正反向流通效果
２）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝６０°，正向流通时，入口和出口压降 为：５．２４×１０４，反向流通，入口和出口压降为：６．０６×１０４。
θ＝４５°时的结论在前文已经有所描述。
具体结论如下。
（１）由此可见，“ｙ字型”分叉口的倾斜角度没有超过 ４５°
时，对阀门的正向导通 性 能 基 本 没 有 影 响，但 当 “ｙ字 型 ”分 叉
特斯拉阀门介绍 特斯拉阀门是一种固定几何形状的被动单向导通阀，它的
存在可以使流体单向流通（即正向流通而反向阻塞），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，将这一组合通道 称为“特斯拉阀门”，名字源于 １９２０年特斯拉的专利，而其中半 圆环组成的阀门是其中的一个特例。其具备可扩展性，高耐用 性和材料来源广的特点。那么具体的结构参数会如何影响单 向流通性能。
口的倾斜角度过大后，在提升阀门反向阻塞性的同时，会降低
阀门的正向导通性。
（２）当“ｙ字型”分叉口倾斜角度较小为 ３０°时，反向阻塞
效能并不明；当“ｙ字型”分叉口倾斜角度为 ４５°时，反向阻塞效
能提升；当“ｙ字型”分叉口倾斜角度为 ６０°时，反向阻塞效能提
升地较为明显，但正向导通性能下降的更为明显，使得单向流
构建几何模型并且进行一定的几何度量如图 ２所示，特征 道完全闭合。所以可以利用压差比来衡量特斯拉阀性能。
的长度 Ｌ和角度 θ在图 ２中有所标注，从左到右为正向。因为 特斯拉阀门是不可动微阀，故其没有可动控制部件，不能使流
压差比：定义为器件反向压降与正向压降的比，压差比越 大说明特斯拉阀的阻断性越好。
口处有分流，而此轨道的倾斜程度会影响分流量的多少进而影 响反向阻塞的性能。
当反向流过特斯拉阀门时，在半圆形轨道与直形轨道接口 处会有来自两个方向的流体分子碰撞，而此接口的长度与倾斜 程度会影响流体分子碰撞的剧烈程度进而影响反向阻塞的性 能。同样当流体正向通过时也会受此影响进而影响正向流通 的性能。
当正向流过特斯拉阀门时，在半圆形轨道与直形轨道接口 处会有部分流 体 分 子 流 入 半 圆 形 轨 道，进 而 影 响 正 向 流 通 的 性能。
２）当使用 Ｌ＝３０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８７×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．７９×１０４。
３）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝４５°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８９×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．８９×１０４。 ３．２ 结论
因此可以看出，当半圆形轨道与直形轨道之间的过渡轨道 的开口长度对流体正向流通的效能影响不大，但对反向阻塞效 能影响较为显著。
当该特斯拉阀门特征长度为 １０ｃｍ时反向阻塞效能极不 明显。当该特斯拉阀门特征长度为 ３０ｃｍ时，反向阻塞效能明 显提升。当该特斯拉阀门特征长度为 ５０ｃｍ时，反向阻塞效能 得到更显著的改善。
当流体反向 流 动 时，在 过 渡 轨 道 开 口 长 度 大 的 特 征 长 度 ５０ｃｍ，直形导轨中流体减速较大，减速范围较广，提升了反向 阻塞性能。
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图 １ 特斯拉阀门的正向流动和反向流动
将传统特斯拉阀门在半圆环轨道与直形轨道接口处进行 了修改，得到一个新构型。并对这个构型调整了各个参数，以 研究在不同参数下特斯拉阀门的单向导通性能的不同，寻找一 个单向导通性最理想的构型。
特斯拉阀门单向导通原理及其构型建模 正向与反向流动时如图 １所示。 当反向流过特斯拉阀门时，流体分子会在“ｙ字型”分叉口
技术与市场 ２０１９年第２６卷第１０期
创新与实践
特斯拉阀门的优化与改进仿真
冯鲁文，程泽
（西北工业大学 动力与能源学院理学院，陕西 西安 ７１０１２９）
摘 要：特斯拉阀门是一种单向流动的阀门，其正向流动与反向流动差别巨大，对一种特斯拉阀门进行了建模和 ｃｏｍｓｏｌ 仿真，得到了其正向与反向的压降结果，同时改变特征长度和特征角度多次进行仿真，成功的对特斯拉阀门的单向导通 能力进行了优化，其正向与反向流通能力差距更大，并做了实体实验进行了验证。 关键词：特斯拉阀门；ｃｏｍｓｏｌ仿真；特征长度；特征角度 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．１０．０１０
取上述仿真结论的最优解，即特征长度为 ５０ｃｍ时，针对 “ｙ字型”分叉口的倾斜程度”这一影响因素到底如何影响阀门 的单向导通性，倾斜角度为特征角度。设计了 ３个梯度构型。
并使用 ｃｏｍｓｏｌ对其进行压强与流速的仿真分析。
１）当使用 Ｌ＝５０ｃｍ，θ＝３０°，正向流通时，入口和出口压降 为：４．８８×１０４，反向流通，入口和出口压降为：５．３１×１０４。