Фізика
Фізика

Фізики розібралися із клапаном Тесли та покерували потоками рідини

Американські фізики вирішили поекспериментувати із винаходом Тесли сторічної давнини — клапаном зворотного потоку. Він має не допускати хід рідини у зворотному напрямку, а сам Тесла припускав, що характеристику пристрою значно покращаться, якщо він працюватиме у пульсуючому середовищі. Це твердження Тесли вченим вдалося підтвердити, що відкриває шлях клапану на використання на виробництвах з такими умовами. Однак, їм все ж не вдалося досягти передбаченого Теслою значення ефективності, але вони припускають, що це обмеження геометрії конструкції та використовуваної рідини. Як фізики переганяли клапаном пофарбовану суміш гліцерину з водою, вони описали у Nature Communications.

NYU Applied Math Lab

NYU Applied Math Lab

Що за клапан Тесли?

Цілком імовірно, що дуже спрощений варіант такого пристрою є і у вас вдома — для більшості каналізаційного обладнання використовуються зворотні клапани. Вони покликані не допускати хід води або будь-якої іншої рідини у зворотному напрямку, щоб обладнання мало більший термін життя (і труби не текли). Клапан Тесли є різновидом такого гідроустаткування, суть якого також не допускати зміну шляху рідини. Так потік, який проходить через нього в одному напрямі розділяється на різні потоки, які рухаються у різних напрямках, чим гасять власну кінетичну енергію та забезпечують зростання активного опору клапана у бік зворотного напряму. Тобто рідина легше проходить потрібним шляхом, бо розвернутися їй заважає значно більший спротив. Патент на свою конструкцію Тесла оформив у 1920 році, однак досі невідомо, чи випробовував він свій прототип. Унікальна геомерія конструкції, що не має рухомих деталей, а лише багато відгалужень і бічних проходів — подібно до заплутаного серпантину річки з безліччю поворотів.

У своїй роботі вчені повторили конструкцію з патенту Тесли та досліджували рух рідини у ній — який вона має спротив та як змінюється тиск під час руху. У ході експериментів вони з’ясували, що вода у клапані зазнає переходу від ламінарного до турбулентного потоку, тобто рух течії зі збільшенням швидкості переходить у невпорядкований потік. Також фізики взялися перевіряти твердження Тесли про те, що характеристики конструкції значно покращуються, якщо подавати потік різкими імпульсами з високою частотою. І хоч досягти значення діодичності 200, яку вказував Тесла, їм все ж не вдалося (принаймні у перевірених ними умовах), вчені говорять про підвищення ефективності клапана, якщо поекспериментувати із геометрією конструкції.

Схема клапану Тесли (a). Візуалізація трубопроводу, що використовується в експериментах. Верхня і нижня кришки складають внутрішню геометрію, яка вирізана лазером та склеєна за дизайном Тесли (b). Механізми переливу, які забезпечують фіксований рівень води, що рухає потік трубопроводом (c) / Nature Communications, 2021

Схема клапану Тесли (a). Візуалізація трубопроводу, що використовується в експериментах. Верхня і нижня кришки складають внутрішню геометрію, яка вирізана лазером та склеєна за дизайном Тесли (b). Механізми переливу, які забезпечують фіксований рівень води, що рухає потік трубопроводом (c) / Nature Communications, 2021

Навіщо вченим повертатися до сторічного винаходу?

Мікрогідродинаміка або мікрофлюїдика з розвитком нанотехнологій зайняла своє місце серед тенденцій до мініатюризації приладів і створення, наприклад, «лабораторій на чипі» (lab-on-a-chip), різних мікро- та наноелектромеханічних систем. Вона вивчає мікропотоки рідин, маніпулюючи краплями так, що можна досягти дивовижних ефектів, комбінуючи хімічні реакції і логічні операції. Різні рідини, перебігаючи трубами, розтікаючись поверхнею або уникаючи перешкод мають дуже різні властивості. Найпростішим способом контролю напрямків потоків є геометрія судин, труб, каналів і мереж трубопроводів. Однак, головною перешкодою є те, як геометрія позначається на структуру і розподіл потоків. Основне у гідродинаміці рівняння, рівняння Нав'є — Стокса, є нелінійним, а отже теоретичних результатів менше, моделювати складніше і тому експерименти з різною геометрією конструкцій ускладнюються.

У царині мікрофлюїдики основна увага приділяється низьким числам Рейнольдса — вони визначають характер потоку. Число Рейнольдса залежить від швидкості потоку, в'язкості і щільності рідини, а також довжини елемента потоку. За значень, близьких до кількох тисяч потік перетворюється на турбулентний, тобто невпорядкований, а за значень менше кількох сотень стає повністю ламінарним — не утворює завихрень. Феноменологія потоків з високим числом Рейнольдса або з переважанням інерції добре вивчена: потоки сповільнюються у прикордонних шарах поблизу поверхонь і мають тенденцію розділятися способом, чутливим до геометрії, з утворенням вихорів, слідів, струменів і відповідно турбулентності. Тому такий залежний від геометрії пристрій як клапан Тесли і зацікавив вчених як можливість краще дослідити поведінку рідин.

Порівняння зворотних потоків за чисел Рейнольдса 50, 200 і 400. Так за значення 50 барвники залишаються на відповідних сторонах каналу, розсіюючись за рахунок взаємодії з острівцями, але не перемішуючись. Для числа Рейнольдса 400 потоки вже добре змішуються, а от перехідний стан за значення 200 демонструє гібрид цих характеристик: потоки стійкі і ламінарні на перших трьох або чотирьох елементах геометрії конструкції, але потім до кінця досягають майже повного перемішування / Nature Communications, 2021

Порівняння зворотних потоків за чисел Рейнольдса 50, 200 і 400. Так за значення 50 барвники залишаються на відповідних сторонах каналу, розсіюючись за рахунок взаємодії з острівцями, але не перемішуючись. Для числа Рейнольдса 400 потоки вже добре змішуються, а от перехідний стан за значення 200 демонструє гібрид цих характеристик: потоки стійкі і ламінарні на перших трьох або чотирьох елементах геометрії конструкції, але потім до кінця досягають майже повного перемішування / Nature Communications, 2021

Що вчені з’ясували?

Експеримент приніс два основні висновки. Клапан Тесла поводиться як своєрідний перемикач, стан якого залежить від того, наскільки високий рівень турбулентності рідини всередині нього. Тож якщо рідина тече досить повільно і впорядкованим чином, клапан майже не заважає її руху, пропускаючи її в обидві сторони. Точкою порівняння з результатами були попередні експерименти і моделювання. Однак, за словами вчених, деякі попередні дослідження отримували значно нижчу діодичність за числа Рейнольдса 500. Нові результати виявилися у два рази вищими, що фізики пов’язують із тим, що їхній експеримент проводився із більш точною копією винаходу Тесли.

Також дослідження підтвердили думку про те, що на вищих частотах ефективність клапану значно більша, а тому це мотивує практичне застосування в обладнання, якому властиві вібрації під час експлуатації. Наприклад, для перекачування охолоджуючих рідин, палива, мастильних матеріалів або інших рідин у двигунах. Пристрій нагадує зворотний потік крові венами чи транспорт у лімфатичній системі, які виникають через скорочення м’язів, які стискають судини і активують серійні клапанні структури. Також пристрій можна використовувати для змішування рідин за низьких чисел Рейнольдса — текуча речовина може змішатися з іншими, але нагріту її чи охолоджену можна буде легко видалити для подальшої обробки або використання.