特斯拉閥
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-04-21
特斯拉閥的實(shí)例教程
另一個(gè)，就是本期的主題，同樣沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件的特斯拉閥。
注意，它和那個(gè)造電動(dòng)汽車的公司沒(méi)什么關(guān)系。而是源于著名物理學(xué)家尼古拉·特斯拉。1920年，特斯拉發(fā)明了這個(gè)名為“瓣膜導(dǎo)管”的管子并申請(qǐng)了專利。專利中描述流體沿一個(gè)方向流經(jīng)管子，幾乎不受任何阻力。但沿反方向流動(dòng)時(shí)，卻會(huì)遇到幾乎不可逾越的障礙。
這一點(diǎn)特別像管道里常用的單向閥，于是后人就稱這個(gè)管子為特斯拉閥。
而單向閥都有運(yùn)動(dòng)部件，但這一根沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的管子，何以具有單向閥的特點(diǎn)呢？
我用國(guó)產(chǎn)流體仿真軟件AICFD給特斯拉閥做了個(gè)流動(dòng)模擬。從流場(chǎng)可以直觀地看到，正向流動(dòng)時(shí)流體主要通過(guò)流道中的折線部分輕松通過(guò)。而反向流動(dòng)時(shí)，流體遇到叉路就分叉流動(dòng)，其中一路轉(zhuǎn)一圈回來(lái)后和另一路流體相撞，產(chǎn)生流動(dòng)損失，便大大增加了流動(dòng)阻力，減緩了流動(dòng)速度。
對(duì)，你沒(méi)聽(tīng)錯(cuò)，是減緩流動(dòng)，不是阻止流動(dòng)，而我們常見(jiàn)的單向閥對(duì)于逆流是可以完全阻止的。你可以把特斯拉閥理解成會(huì)漏的單向閥，這一點(diǎn)是它和單向閥不同的地方。那么特斯拉閥的逆向減緩作用到底能到什么程度呢？這就是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題了，與彎折數(shù)量、傾斜角度、間隔長(zhǎng)度、管徑等多個(gè)因素都有關(guān)系。
我3D打印了一個(gè)，給大家直觀地感受一下正反差異。倒入相同量的水，對(duì)比特斯拉閥正接和反接，水全部流完的時(shí)間差。
特斯拉閥正接，所用時(shí)間是99秒，反接，所用時(shí)間是125秒。
如果流道壁面可以打印得再光滑些，以及增加節(jié)數(shù)、優(yōu)化角度等參數(shù)，正反流動(dòng)的差異會(huì)更明顯。
仔細(xì)觀察流道內(nèi)情況，確實(shí)如之前仿真模擬的結(jié)果一般，正向流動(dòng)時(shí)，流體基本沿折線前行，岔路里是空的，而反向流動(dòng)時(shí)液體充滿整個(gè)流道，分岔后兩路流體的撞擊增加了流動(dòng)的阻力。那么如此奇妙的管子在當(dāng)今世界又有哪些應(yīng)用呢？
展開(kāi) 02
成果掠影
近期，廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院潘明章教授團(tuán)隊(duì)提出了一種正向特斯拉閥毛細(xì)管散熱通道和反向特斯拉閥毛細(xì)管散熱通道的設(shè)計(jì)，旨在緩解毛細(xì)管仿生流動(dòng)通道內(nèi)彎曲處的渦流問(wèn)題。在相同工況下，分別得到液冷板原、正、反向散熱通道的壓力分布等性能指標(biāo)。
結(jié)果表明，正向冷卻通道顯著降低了液體冷卻板的壓力損失，而反向通道有效地改善了傳熱。針對(duì)反特斯拉閥毛細(xì)管通道中遇到的壓差過(guò)大的問(wèn)題，在反向特斯拉閥毛細(xì)管冷卻通道上設(shè)計(jì)了不同數(shù)量的閥門和支路。研究發(fā)現(xiàn)，將反特斯拉閥毛細(xì)管液冷板的閥數(shù)與分支數(shù)的縱橫比控制在1.13～1.6范圍內(nèi)，可以以較小的泵浦功率獲得較高的制冷量。在反向特斯拉閥毛細(xì)冷卻通道上設(shè)計(jì)了不同數(shù)量的閥門和支路。研究發(fā)現(xiàn)，將反向特斯拉閥毛細(xì)管液冷板的閥數(shù)與分支數(shù)的縱橫比控制在1.13～1.6范圍內(nèi)，可以以較小的泵浦功率獲得較高的制冷量。在反向特斯拉閥毛細(xì)冷卻通道上設(shè)計(jì)了不同數(shù)量的閥門和支路。研究發(fā)現(xiàn)，將反向特斯拉閥毛細(xì)管液冷板的閥數(shù)與分支數(shù)的縱橫比控制在1.13～1.6范圍內(nèi)，可以以較小的泵浦功率獲得較高的制冷量。
研究成果以“Performance analysis on the liquid cooling plate with the new Tesla valve capillary channel based on the fluid solid coupling simulation”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。
展開(kāi) 為了闡述特斯拉閥和側(cè)壁毛細(xì)柵欄結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)首先實(shí)驗(yàn)測(cè)量了單相流動(dòng)下正向、反向壓降和流動(dòng)二極管特性（正向與反向壓降比值）。如圖2所示，單相流動(dòng)二極管特性隨著雷諾數(shù)（Re）增加而增加。均勻分布在主通道內(nèi)的特斯拉結(jié)構(gòu)逐級(jí)放大了其對(duì)蒸汽回流的抑制作用，進(jìn)而誘導(dǎo)工質(zhì)定向有序地流動(dòng)。
圖2 特斯拉微通道協(xié)同毛細(xì)微柵欄結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)兩相流動(dòng)
通過(guò)引入側(cè)壁毛細(xì)微柵欄結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壁面的潤(rùn)濕-再潤(rùn)濕過(guò)程，誘導(dǎo)形成了穩(wěn)定持久的側(cè)壁面薄液膜。結(jié)果表明，即使在極端沸騰條件下，超親水的微柵欄結(jié)構(gòu)也能將微通道中不穩(wěn)定和不連續(xù)的兩相流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定連續(xù)的環(huán)狀流流動(dòng)，特別是側(cè)壁微柵欄產(chǎn)生的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了壁面液體0.5m/s的高更新速度。
在揭示了特斯拉閥和壁面柵欄毛細(xì)結(jié)構(gòu)在兩相傳輸中的重要作用之后，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)表征了該型熱沉在正向流動(dòng)時(shí)候的換熱性能。從根本上說(shuō)，高性能的對(duì)流沸騰傳熱需要高效的液體到蒸汽轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸汽質(zhì)量干度χ<0.25時(shí)，如圖3（a和b）所示，壓降和壁溫都在~15秒的短時(shí)間內(nèi)周期性波動(dòng)。
圖3 高換熱性能熱沉的啟動(dòng)條件
在熱沉中，周期性波動(dòng)還伴隨著入口附近的蒸汽回流，且持續(xù)時(shí)間很久。此外，持續(xù)的蒸汽回流阻止了液體再進(jìn)入，并導(dǎo)致壓降和壁溫出現(xiàn)放大的振幅。與此形成鮮明對(duì)比的是，當(dāng)χ>0.25時(shí)，它們變得非常穩(wěn)定，顯示出穩(wěn)定的兩相流的典型特征，這是由于特斯拉閥的啟動(dòng)而抑制兩相回流的結(jié)果，稱為“啟動(dòng)”狀態(tài)。
展開(kāi) 特斯拉閥是天才科學(xué)家尼古拉·特斯拉發(fā)明的單向?qū)饬?em>閥，無(wú)任何活動(dòng)部件，無(wú)需輸入法能量即可實(shí)現(xiàn)氣流單向?qū)āＦ湔蛄鲃?dòng)與反向流動(dòng)差別巨大，不需要內(nèi)部進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，利用空間結(jié)構(gòu)推動(dòng)氣體流動(dòng)，通過(guò)物理結(jié)構(gòu)加速氣體，減小氣體在運(yùn)輸中的能量損耗。
特斯拉閥門是一種固定幾何形狀的被動(dòng)單向?qū)?em>閥，可以使流體單向流通。因其具有固定的幾何外形，以此來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)閥門因需要可移動(dòng)部件而容易損壞的缺點(diǎn)，其可代替可動(dòng)閥。由于流體具有慣性，在不同方向通過(guò)閥門時(shí)，流阻不同，從而實(shí)現(xiàn)單向流通”。
特斯拉閥的工作原理：當(dāng)用點(diǎn)火器從閥門左側(cè)點(diǎn)火后，可以看到火焰在內(nèi)部通道里游動(dòng)的過(guò)程，就像在內(nèi)部形成的回流，而當(dāng)從反方向測(cè)試后，氣體流動(dòng)速度會(huì)變得更快，這些結(jié)構(gòu)就像是為火焰提供了加速作用。氣體在特斯拉閥中擴(kuò)張后再壓縮，壓差的變化產(chǎn)生推力使氣體更加快速的推出。
對(duì)于大多數(shù)管內(nèi)流動(dòng)來(lái)說(shuō)，其流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于壓力，即流動(dòng)由高壓區(qū)流向低壓區(qū)（當(dāng)然也有通過(guò)機(jī)械或其他手段使流體由低壓區(qū)向高壓區(qū)流動(dòng)，如壓氣機(jī)與飛機(jī)的進(jìn)氣道）。對(duì)于驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于壓力的流動(dòng)而言，其能存在流動(dòng)的核心原因就是流動(dòng)兩端存在壓差。
流量的計(jì)算應(yīng)用出口處的總壓與環(huán)境壓力求出流速，進(jìn)而由出口截面積求出流量。
總結(jié)一下，水龍頭可以控制出水量可以解釋為，當(dāng)水龍頭打開(kāi)到最大時(shí)，此時(shí)總壓損失最小，而水龍頭關(guān)上時(shí)，總壓損失最大。
展開(kāi) 此技術(shù)也是利用相變?cè)?，融入了單向管道設(shè)計(jì)，稱之為特斯拉閥，其實(shí)看到第一眼很容易會(huì)想的是難道特斯拉汽車的什么新技術(shù)嗎？查了資料才知道，是科學(xué)家尼古拉特斯拉發(fā)明的，它巧妙在不需要任何開(kāi)關(guān)就可以控制單向?qū)?。小米這次應(yīng)用此技術(shù)就保證了液體能夠到達(dá)SoC的發(fā)熱部位，而不讓吸熱蒸發(fā)的蒸汽反向流動(dòng)。
通過(guò)這個(gè)技術(shù)小米手機(jī)mix4魔改版實(shí)測(cè)游戲降低了表溫5℃，對(duì)于手機(jī)行業(yè)表面溫度是很重要的，而對(duì)于汽車電子方面保證芯片的可靠性更為重要，特別是溫度方面。車規(guī)級(jí)的芯片相對(duì)消費(fèi)級(jí)，從認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試講更為嚴(yán)苛，而且車內(nèi)環(huán)境溫度高，更是需要考慮各個(gè)芯片是否符合工作預(yù)期。
二、ADAS域控制器散熱設(shè)計(jì)
自動(dòng)駕駛這兩年發(fā)展迅速，配套硬件產(chǎn)品的功耗也在不斷進(jìn)步，從開(kāi)始單一功能的ECU，需要多個(gè)ECU才能實(shí)現(xiàn)ADAS的功能，到集成多種功能的域控制器，特別是承載ADAS的域控制器，ADAS域 L2/L2+的設(shè)備現(xiàn)在也主要采用自然散熱的方式，產(chǎn)品頂部采用較長(zhǎng)的散熱肋片，底部根據(jù)功耗的不同有產(chǎn)品也會(huì)有散熱肋片的設(shè)置。
ADAS域由于SoC計(jì)算量的不一樣，功耗差異明顯，特別是L4，體積限制的，甚至需要水冷才能滿足要求?，F(xiàn)在自動(dòng)駕駛AI芯片主要供應(yīng)商有Mobileye、英偉達(dá)、華為和地平線等等，主流乘用車還是基于L2+域控，基本采用自然散熱方式。
那完整的散熱設(shè)計(jì)流程是怎樣的呢？
1、首先需要對(duì)冷卻方式進(jìn)行評(píng)估，前期概念設(shè)計(jì)時(shí)硬件工程師給出總功耗，根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師給出的邊界，可以計(jì)算出熱流密度或體積功率密度，然后結(jié)果評(píng)估出采用何種散熱方式。接下來(lái)熱設(shè)計(jì)或硬件工程師，評(píng)估選用的主要芯片是否采用額外的散熱措施，具體根據(jù)工作溫度和實(shí)際功耗，以及Rja來(lái)推測(cè)結(jié)溫Tj，是否有超溫風(fēng)險(xiǎn)。
展開(kāi) 
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特斯拉閥的最新內(nèi)容
嗯，正如堪稱麥克斯韋妖的渦流管一樣，特斯拉閥目前還并沒(méi)有得到非常廣泛的應(yīng)用?？梢圆榈降膶?shí)際應(yīng)用，比如某手機(jī)品牌內(nèi)部的電子散熱，利用特斯拉閥實(shí)現(xiàn)了相變換熱的單向循環(huán)流動(dòng)，增加散熱效率。也許你拿的手機(jī)中就有特斯拉閥哦！
還有一些跑鞋中有所應(yīng)用，空腔兩側(cè)，分別接入同向的特斯拉閥，就以腳踩為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了鞋底部通氣。
離心泵速度流線圖
攪拌罐內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖
多分支管流體壓力云圖
特斯拉閥流場(chǎng)速度流線圖
02
成果掠影
東南大學(xué)陳永平教授、李文明教授與香港理工王鉆開(kāi)教授研究團(tuán)隊(duì)受到“流體二極管”—特斯拉閥的啟發(fā)，原創(chuàng)性地開(kāi)發(fā)了一種新型微通道流動(dòng)沸騰散熱熱沉。
許多新結(jié)構(gòu)被提出，例如仿生葉脈通道、帶斜翅片的發(fā)散通道、特斯拉閥通道等，但結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化也帶來(lái)了制造加工的困難。這些年來(lái)，蛇形流道作為一種基礎(chǔ)流型，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，被廣泛研究與應(yīng)用。然而傳統(tǒng)蛇形流道因其多次彎曲的流道走向，通常面臨著壓降大、均溫性差等缺點(diǎn)。大部分研究者針對(duì)蛇形流道進(jìn)行改進(jìn)研究。
針對(duì)反特斯拉閥毛細(xì)管通道中遇到的壓差過(guò)大的問(wèn)題，在反向特斯拉閥毛細(xì)管冷卻通道上設(shè)計(jì)了不同數(shù)量的閥門和支路。研究發(fā)現(xiàn)，將反特斯拉閥毛細(xì)管液冷板的閥數(shù)與分支數(shù)的縱橫比控制在1.13～1.6范圍內(nèi)，可以以較小的泵浦功率獲得較高的制冷量。在反向特斯拉閥毛細(xì)冷卻通道上設(shè)計(jì)了不同數(shù)量的閥門和支路。
特斯拉閥的工作原理：當(dāng)用點(diǎn)火器從閥門左側(cè)點(diǎn)火后，可以看到火焰在內(nèi)部通道里游動(dòng)的過(guò)程，就像在內(nèi)部形成的回流，而當(dāng)從反方向測(cè)試后，氣體流動(dòng)速度會(huì)變得更快，這些結(jié)構(gòu)就像是為火焰提供了加速作用。氣體在特斯拉閥中擴(kuò)張后再壓縮，壓差的變化產(chǎn)生推力使氣體更加快速的推出。
截至目前，三花智控未收到過(guò)特斯拉關(guān)于電子膨脹閥本身與該問(wèn)題相關(guān)的質(zhì)量抱怨，此次召回事件與本公司提供的電子膨脹閥無(wú)關(guān)。
此技術(shù)也是利用相變?cè)?，融入了單向管道設(shè)計(jì)，稱之為特斯拉閥，其實(shí)看到第一眼很容易會(huì)想的是難道特斯拉汽車的什么新技術(shù)嗎？查了資料才知道，是科學(xué)家尼古拉特斯拉發(fā)明的，它巧妙在不需要任何開(kāi)關(guān)就可以控制單向?qū)āＰ∶走@次應(yīng)用此技術(shù)就保證了液體能夠到達(dá)SoC的發(fā)熱部位，而不讓吸熱蒸發(fā)的蒸汽反向流動(dòng)。
自動(dòng)駕駛中央處理系統(tǒng)MDC，并非華為專有名詞，同樣是技術(shù)提供者的安波福也擁有先進(jìn)自動(dòng)駕駛MDC產(chǎn)品序列；華為先進(jìn)純電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)采用了間接式九通閥結(jié)構(gòu)，不能說(shuō)比特斯拉的八通閥存在本質(zhì)飛躍，但全車?yán)錈峁┬瓒冀y(tǒng)一管理，也算是一種進(jìn)步；激光雷達(dá)方面，華為即將上馬的是微振鏡MEMS、905nm波長(zhǎng)、96線版本，未來(lái)則屬于固態(tài)、1550nm和300線以上先進(jìn)激光雷達(dá)，相信后一種方案華為也在研發(fā)之中，而目前投用的產(chǎn)品更為成熟和低成本
