A Tesla szelep, egy állandó geometriájú passzív “visszacsapó” szelep, amely azt jelenti, hogy a szelep nem tartalmaz mozgóalkatrészt, ebből adódóan a szelep működését csak a geometriája határozza meg.

Nikola Tesla, a szelep feltalálója, eredeti publikációjában mutatta be az általa létrehozott szelep geometriáját, amely az alábbi ábrán látható.

1. ábra: Tesla szelep eredeti geometriája.

Az előre haladó áramlás (5) során a közeg a szelep főágban haladó áramlását a mellékágakban történő áramlás nem akadályozza meg, a létrejövő nyomásesést csak a közeg belső súrlódása hozza létre. Ezzel szemben az ellentétes irányú áramlás (4) esetén a főágban haladó áramlást, a mellékágakból visszafolyó közeg akadályozza, amely további nyomásesést hoz létre a be- és kiáramlási keresztmetszetnél mérhető nyomás között.

A szelep fő jellemzője a diodicitás, amely az ellentétes irányú áramlás során létrejövő nyomásesés (Δp_r) és az előre haladó áramlás során létrejövő nyomásesés (Δp_f) hányadosa, állandó térfogatáramok esetén.

A Tesla szelepre jellemző diodicitás vizsgálata során a beáramlási keresztmetszetre normál irányú sebességkomponens értékét állandónak feltételeztük, valamint az áramlás lamináris, illetve turbulens viselkedésének megfigyelése érdekében a beáramlási sebességet, az áramlásra jellemző Reynolds-szám alapján határoztuk meg.

A beáramló közeg sebességének meghatározása során az áramló közeget víznek vettük, így annak megfelelően határoztuk meg az áramló közeg sűrűségét (), valamint a dinamikai viszkozitását (). A beáramlási keresztmetszet téglalap alakú, így egy hidraulikus átmérőt (D_h) kellett meghatározni. Az előző együtthatók meghatározása után kiszámítottuk, a Reynolds-számokhoz tartozó áramlási sebességeket, amely az alábbi táblázatban látható.

1. táblázat: Reynolds-számokhoz tartozó beáramlási sebesség értékek.

Az alábbi animáción az előre haladó és ellentétes irányú áramlás látható, valamint a létrejövő relatív nyomás értékének változása a légköri nyomáshoz képest a szelep hossza mentén. Az animáción a beáramló közeg sebessége a Re 2000-hez tartozó érték.

Megfigyelhető, hogy ellentétes irányú áramlás esetén az áramló közeg kezdetben lamináris viselkedést mutat, mindaddig, amíg a főágban áramló közeg találkozik a mellékágból kiáramló közeggel, amely hatására turbulens áramlások alakulnak ki. Ezzel szemben az előre haladó áramlás esetén a mellékágban történő áramlás nem befolyásolja a főág áramlását, a létrejövő relatív nyomás értékét csak az közeg belső súrlódásából adódik.

2. ábra: Reynolds-számokhoz tartozó diodicitás értékek.

Alacsony Reynolds-számok esetén a különböző áramlási irányokhoz tartozó relatív nyomás értéke kis eltérést mutat, azaz a diodicitás értéke 1-hez közeli. A Reynolds-szám növelésével az eltérés mértéke növekszik, amely azt eredményezi, hogy a diodicitás értéke is megnő.

A kapott eredmények alapján belátható, hogy a Tesla szelep alkalmazható visszacsapó szelepként, illetve magas Reynolds-számmal rendelkező áramlások esetén fejti ki leginkább a hatását.