離子風(fēng)效應(yīng)的研究與應(yīng)用綜述*

鄧煜生 徐春龍 余小林 南凱威

長安大學(xué) 陜西 西安 710021

引言

離子風(fēng)又稱為電暈風(fēng)，是高壓電暈放電時的特殊現(xiàn)象。電暈放電是在電極邊緣曲率較大處，電場強度達(dá)到臨界場強時電離空氣而產(chǎn)生的自持放電的現(xiàn)象。在電暈電離空氣的過程中引發(fā)“電子雪崩”導(dǎo)致空氣流動，形成“離子態(tài)”的風(fēng)稱為離子風(fēng)。離子風(fēng)效應(yīng)最早于1709年Hauksbee首次發(fā)現(xiàn)，此后法拉第、麥克斯韋等科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究。直到2006年Chattock[1]通過實驗，總結(jié)形成了初步的離子風(fēng)效應(yīng)理論。近年來，隨著離子風(fēng)效應(yīng)研究的不斷深入，其在除塵、干燥控制、制冷器以及空氣推進(jìn)器等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。本文綜述了近年離子風(fēng)效應(yīng)及性能、離子風(fēng)效應(yīng)的應(yīng)用、發(fā)展前景和應(yīng)用中存在問題的相關(guān)研究，提出了解決方案并對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

圖1 “針-板”電極結(jié)構(gòu)放電示意圖

1 離子風(fēng)效應(yīng)理論研究

隨著離子風(fēng)在除塵、強化散熱、干燥控制及空氣推進(jìn)器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如何充分發(fā)揮離子風(fēng)性能成為科研工作者們研究的熱點。1899年，Warburg[2]提出“單針-板”電極結(jié)構(gòu)下，得到兩個電極之間形成離子風(fēng)時的電流密度分布經(jīng)驗公式并通過實驗得到當(dāng)針電極為正的高壓時m=4.82，在給針電極為負(fù)的高壓時m=4.65。其中，“針-板”電極間的放電形式，如圖1。

圖2 正電暈放電原理圖

1959年，Stuezer[3]通過研究發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)產(chǎn)生的壓力與電暈放電時電子的遷移率、電流和電場強度有關(guān)，壓力的增長與遷移率成反比，與電流電場強度成正比。1961年，Robinson[4]通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)風(fēng)速不僅與壓力增長呈反比，它還和中性粒子電離形成電流的平方根有著線性關(guān)系。M.S.June等[5]采用“針-環(huán)”電極結(jié)構(gòu)，比較了在相同電壓條件，不同環(huán)電極直徑、針和環(huán)的間距等實驗結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)相比于負(fù)電暈，正電暈產(chǎn)生的離子風(fēng)風(fēng)速較高，如圖2。當(dāng)環(huán)的長度是倍的針-環(huán)間距時，電能動能的轉(zhuǎn)化效率是最高的。 N.E.Jewell-larsen和E.Tran[6]通過研究比較得出“針-板”電極結(jié)構(gòu)能夠提供多渠道高效節(jié)能的離子風(fēng)，如圖3。

圖3 “針-板”電極結(jié)構(gòu)

圖4 “線-雙板”電極結(jié)構(gòu)

Eric Moreau等[7]通過“針-網(wǎng)”電極結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)交流高壓電對增強離子風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)速沒有明顯的效果，只在直流高壓電下才有效果。H.Kalman[8]等提出了一種新型“線-雙板”電極結(jié)構(gòu)，通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)板電極的傾斜角度電暈放電可以得到最高的離子風(fēng)風(fēng)速。如圖4。孟坤鵬等[22]利用Fluent軟件，使用湍流模型與離散相模型(DPM)，探究了離子風(fēng)機(jī)應(yīng)用于粉體包裝過程中除靜電的可行性；胡建華等[23]分析了電除塵器中離子風(fēng)對除塵效果的影響，

西安交通大學(xué)邱偉、鄭程等[9-12]研究發(fā)現(xiàn)改變電極的參數(shù)時，離子風(fēng)的速度和方向會相應(yīng)的發(fā)生變化，通過實驗得到，給電極施加16kV的直流電時，可以得到風(fēng)速高達(dá)6.08m/s的離子風(fēng)；相同的電壓下，電極曲率半徑越小，得到的離子風(fēng)風(fēng)速越高；同時，通過實驗論證發(fā)現(xiàn)，相比于泊松方程，拉普拉斯方程對等離子體的優(yōu)化計算與實際更加符合準(zhǔn)確；另外，他們發(fā)現(xiàn)在電極附近的電離區(qū)內(nèi)存在著高能量的電子。

圖5 “針-板”電極結(jié)構(gòu)空間電荷分布圖

東北大學(xué)郭尹亮[13]，對比前人研究得到“針-板”電極結(jié)構(gòu)特性，經(jīng)過研究后提出了針電極之間的最優(yōu)距離，即各針電極互不影響的間距是5cm。西安交通大學(xué)袁軍祥、楊蘭均等[14]也研究了“針-板”電極結(jié)構(gòu)的電暈放電離子風(fēng)效應(yīng)（如圖5），他們設(shè)計了一種摩擦力可以完全忽略不計的測試平臺，通過這種設(shè)備測量離子風(fēng)效應(yīng)產(chǎn)生的推力，并且在考慮各種可能因素后提出了一種可以在較小耗能的狀態(tài)下產(chǎn)生較大推力的方法。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)樸永俊[15]采用數(shù)學(xué)模型分析電暈放電的離子風(fēng)效應(yīng)，從電子雪崩的數(shù)學(xué)模型中得出高電場強度能夠有效提升離子風(fēng)效應(yīng)；從電暈放電的起始條件中得到電暈極的曲率半徑是影響電暈放電的最主要因素，這與前文提到的改變電極曲率半徑能夠影響離子風(fēng)風(fēng)速的研究結(jié)果相似；從離子風(fēng)形成的理論模型中得出空間電場分布和空間電荷密度分布。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李林[16]對離子風(fēng)空氣加速器的性能提升也做了研究，他通過電荷連續(xù)性方程反映電暈放電的各個物理過程，用泊松方程反映空間電荷場的變化，從而建立電暈放電的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)公式計算出電暈放電的空間電勢、電場和電荷分布。

2 離子風(fēng)的應(yīng)用和發(fā)展前景

離子風(fēng)發(fā)生裝置能將電能直接轉(zhuǎn)換成空氣的動能，無須機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，消除了機(jī)械振動噪聲，便于構(gòu)造靈活多變的電極結(jié)構(gòu)，適用于不同環(huán)境場合。目前，離子風(fēng)的潛在應(yīng)用十分廣泛，主要涉及設(shè)備散熱、空氣除塵和飛行器推進(jìn)等方面。

近年來，許多學(xué)者對離子風(fēng)在設(shè)備散熱方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。馮杰等[17]提出一種針-平行板電極的板式離子風(fēng)發(fā)生器，討論了針的位置、板間距和板厚等參數(shù)對風(fēng)速和對流換熱系數(shù)的影響；孔令劍等[18]利用COMSOL Multiphysics軟件建立了基于線-板電極結(jié)構(gòu)離子風(fēng)發(fā)生器的計算模型，對離子風(fēng)發(fā)生器強化通道內(nèi)對流換熱的能力開展了數(shù)值模擬研究；李小華等[19]設(shè)計一種"線-網(wǎng)"式離子風(fēng)散熱器，研究了不同放電間隙、過電壓、線電極直徑、線-線間距下散熱器性能的變化；翁建華等[20]研究了EHD離子風(fēng)在電子產(chǎn)品散熱裝置中的應(yīng)用，以此提高電子產(chǎn)品的壽命和可靠性。

離子風(fēng)在空氣除塵方面的應(yīng)用近些年來也取得了一定的進(jìn)展。較為成功的應(yīng)用案例是離子風(fēng)槍[21]，它是一種手持式靜電除塵器，可產(chǎn)生大量帶有正負(fù)電荷的離子流，被壓縮氣高速吹出，可將物體上所帶的電荷中和掉，達(dá)到消除靜電的目的；建立了完整的顆粒荷電模型，在Fluent軟件平臺上進(jìn)行計算；李海英等[24]以Fluent模塊為平臺，應(yīng)用動力風(fēng)模擬離子風(fēng)，以數(shù)值模擬的方式研究了電除塵器內(nèi)離子風(fēng)對ESP氣流分布和除塵效率的影響；朱胤杰等[25]利用離子風(fēng)原理建立了一個多線-筒式收水模型以此來研究從冷卻塔水汽中回收水的可能性；刑羽[26]將太陽能光伏技術(shù)與靜電除塵技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種太陽能靜電除塵電機(jī)，運用高壓直流電暈放電產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置將電能直接轉(zhuǎn)換成空氣的動能。

雖然離子風(fēng)在飛行器推進(jìn)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力，但由于其理論不夠完善，技術(shù)方面進(jìn)展一直較為緩慢。2006 年德國Festo仿生技術(shù)公司利用空氣電暈產(chǎn)生離子風(fēng)的原理研制了仿生離子風(fēng)動力源飛行器B-ionic Airfish[27]；2009 年 NASA 的研究者針對無人太陽能飛機(jī)，對離子風(fēng)推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究[28]，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)離子風(fēng)產(chǎn)生的推力與激勵器消耗的功率達(dá)到20N/kW且飛行器單位面積的推力達(dá)到20N時，離子風(fēng)激勵器才能成為飛機(jī)的動力源；2018年，美國麻省理工學(xué)院航空航天學(xué)教授史蒂文·巴雷特研究團(tuán)隊[29]創(chuàng)造并試飛了第一架不需要任何活動部件而直接使用離子風(fēng)推動的飛機(jī)。

綜上所述，離子風(fēng)無論是在設(shè)備散熱、空氣除塵，還是飛行器推進(jìn)方面都具一定的潛在應(yīng)用價值，雖然目前它還處于實驗研究論證與實際相結(jié)合的初步階段，且在一些方面存在需要克服的難點，但這些并不會掩蓋該項技術(shù)的優(yōu)勢與亮點，它在未來必將走得更遠(yuǎn)。

3 離子風(fēng)效應(yīng)應(yīng)用中的問題及解決途徑

雖然離子風(fēng)效應(yīng)的研究和應(yīng)用已取得一定的成果，但想要商業(yè)化和大規(guī)模的應(yīng)用仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。針對實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的種種問題，結(jié)合目前研究發(fā)展的現(xiàn)狀，就解決實際問題推動離子風(fēng)效應(yīng)的應(yīng)用，提出幾種可能的解決方法和建議：

3.1 理論模型尚不成熟

目前，雖然離子風(fēng)的理論研究取得了一定的進(jìn)展，但對于離子風(fēng)在多場耦合作用下的電場與流場分布至今沒有形成完整而準(zhǔn)確的理論模型，并且在離子風(fēng)推力產(chǎn)生的機(jī)理上，國內(nèi)外學(xué)者也是觀點不一。理論模型建立的困難也與電暈放電現(xiàn)象本身受多種因素影響有關(guān)，F(xiàn).W.Peek得到的起暈條件[30]從側(cè)面印證了這一問題。

針對這一問題，可以加大對離子風(fēng)效應(yīng)基礎(chǔ)研究投入，對于多場耦合的離子風(fēng)效應(yīng)和離子風(fēng)推動原理的研究，可采用數(shù)值仿真與實驗修正理論模型的方法，建立更加準(zhǔn)確的可以刻畫離子風(fēng)流場和推力模型的理論模型。從而擴(kuò)大模型的適用范圍并增強對于實際應(yīng)用的指導(dǎo)作用。

3.2 電離空氣產(chǎn)生臭氧

通常，在電暈極附近電壓和場強較大，極易電離空氣形成臭氧。一方面，臭氧會引起人咳嗽、呼吸困難和心肺功能下降，甚至?xí)?dǎo)致哮喘病和慢性阻塞性肺疾等癥狀[31-32]。另一方面，臭氧會引起鐵及橡膠制品的腐蝕，對一些精密的電子元器件產(chǎn)生不可逆的破壞并且降低元件的使用壽命。

臭氧往往是在電暈放電發(fā)生時產(chǎn)生，難以從根本上消除臭氧的產(chǎn)生。因此可建立臭氧監(jiān)測預(yù)警體系[33]，嚴(yán)格控制臭氧含量在合理范圍，以降低臭氧對人體的危害。對于精密的儀器設(shè)備可采用抗臭氧腐蝕的材料如不銹鋼、ABS、PE和硅膠等。

3.3 積塵問題

在電暈放電過程中，電離出的部分離子會與空氣中的塵埃顆粒結(jié)合，并在電場力作用下吸附在電極表面，影響空氣的電離和離子風(fēng)的形成。單片機(jī)和CPU等精密的電子元件則會由于積塵導(dǎo)致內(nèi)部電路受損而無法正常使用。

對于大體積的裝置或儀器，可在其表面鍍鋁或采用能自發(fā)在表面形成氧化膜的材料，以方便清理。對于體積較小的精密電子元器件，可在其外表面密封，增設(shè)防靜電保護(hù)膜[34]，消除靜電，從根本上防止灰塵進(jìn)入。

4 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的利用旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生氣流的方式，電暈放電所形成的離子風(fēng)具有低噪聲、無電機(jī)、無風(fēng)葉和低功耗等優(yōu)點。在強化散熱、除塵、氣流控制及空氣推進(jìn)等領(lǐng)域都有較為廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對于離子風(fēng)的產(chǎn)生、流場分布及影響因素有了統(tǒng)一的認(rèn)識。但在多場耦合的流場分布以及離子風(fēng)產(chǎn)生推力的原理上，國內(nèi)外學(xué)者觀點不一。從實驗中得到的風(fēng)速推力和推功比等參數(shù)較小，制約了其在飛行器推進(jìn)上的應(yīng)用。雖然在離子風(fēng)的強化散熱方面取得了一定的進(jìn)展，但是也存在積塵和臭氧腐蝕等問題，使得離子風(fēng)從理論到實際應(yīng)用還存在一定距離。因此，合理的離子風(fēng)推力模型、耐臭氧腐蝕的高性能材料和優(yōu)化裝置設(shè)計提高推功比是解決離子風(fēng)應(yīng)用問題的有效途徑，也是未來離子風(fēng)效應(yīng)研究的重要方向。