일반적으로 많이 사용되는 one-way valve는 움직이는 부분이 있다는 특징이 있다.
니콜라 테슬라는 디자인적 설계를 통해서 움직이는 부분 없이 한 방향으로 흐르는 밸브를 만들어냈다.
위 사진과 같은 형태의 valve에서는 유체가 흐르는 방향과 상관 없이 같은 수준의 resistance를 보여준다.
위 사진과 같이 장애물이 각도를 이루고 있는 경우에는 유체가 흐르는 방향에 따라서 diverging type인지 converging type인지 결정된다.
Converging flow에서는 유체가 갈 수 있는 폭이 좁아지면서 유속이 올라가게 되고, 베르누이 법칙에 따라 압력은 낮아진다.
Diverging flow에서는 반대 상황이 발생하는데, 유속이 느려지고 압력은 올라간다. 이러한 압력 증가를 adverse pressure gradient condition이라고 부른다.
이 경우에 점차적으로 압력이 증가하기 때문에 유체 입자들은 decelerate 되는데, 어떤 특정 지점에서는 역류가 발생할 수 있다. 이는 flow vortices와 에너지 소실을 유발한다.
즉, Diverging flow는 converging flow보다 더욱 많은 resistance를 겪기 때문에 더욱 흘러가기 힘들다.
위 사진과 같이 몇몇의 장애물은 벽에 붙어있고, 몇몇은 떨어져 있는 형태를 살펴보자. 이 경우에 왼쪽에서 오른쪽으로 flow가 흐르는 경우에는 위 사진처럼 flow가 primary flow와 secondary flow로 나뉘어지는데, secondary flow가 돌아와 primary 와 섞이면서 vortices를 발생시킨다.
이런 형태는 더욱 많은 resistance를 겪으면서 진행된다.
반대 방향으로 유체가 흐를 때는 큰 장애물 없이 유체가 흐르게 된다.
이제 위 사진처럼 위 아래의 장애물의 위치를 살짝 옮겨주고 두께를 증가시키면 테슬라 밸브가 된다.
이러한 형태에서는 flow가 항상 두개의 stream으로 나뉘어진다.
테슬라 밸브에서 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는 경우를 살펴보자. Secondary stream은 불필요한 방향으로 가는 것이기 때문에 대부분의 유체는 primary stream 방향으로 흐르게 되고, 큰 장애 없이 직선으로 흐를 수 있다.
유체가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 경우에는 위 사진처럼 secondary flow가 되돌아오면서 primary flow의 흐름을 방해하고 vortices를 생성시킨다. 이러한 장애물은 각 unit마다 발생하기 때문에 resistance가 매우 크다.
이제 테슬라 밸브를 실제 상황에서 사용하는 경우를 보자. 잘 흐를 수 있는 방향으로 연결되어 있을 때는 압력 강하가 거의 없다.
반대 방향으로 연결하게 되면 대부분의 유체는 흘러가지 못하고, 압력 강하가 매우 크다.
테슬라 밸브는 유체가 완전히 안흐르도록 할 수는 없지만 매우 조금씩 흐르게 할 수 있기 때문에 mircrofluidics와 pulse jet engine 등에서 사용된다.
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