电晕放电离子风研究进展及应用

电晕放电离子风研究进展及应用

卜凡丁新虎李怡萌张津滔

（南京工业大学江苏省南京市211800）

摘要：电晕放电离子风具有无机械噪声、无旋转部件等优点被广泛应用于推进、流场控制、干燥散热、除尘除静电等诸多领域。目前，国内外对于离子风的理论研究与应用研究都取得了一定的成果，本文从离子风的发生过程特性、电晕放电电极形式和未来应用前景三方面对国内外学者的研究现状进行总结，提出了目前离子风在理论方面存在的问题（电流场耦合理论不完善）等；并对离子风在杀菌消毒、离子推进等应用方面进行了概括总结，离子风在工程应用方面虽然发展迅速，但仍需面临电能利用率较低、高压电场的不稳定等相关问题。离走上实际的工程应用仍具有一段距离。

关键词：电晕放电；离子风；杀菌消毒；电流场耦合

引言

电晕现象是一种常有的一种自持放电现象。

目前普遍认为电晕产生离子风现象[1]是由电晕产生的带电粒子在电场作用下加速运动与空气分子碰撞引起的空气射流现象[2]。目前实验研究可以获得的离子风流速一般在1~10m/s之间。目前，国内外学者的这些电极结构分析研究离子风流场结构分布和离子风风速的影响因素。本文具体选取高压端为针电极的电极系统进行概述研究。

1.电晕放电离子风特性研究

考虑到电晕放电离子风的为电场、流场、空间电荷场三者的耦合，其实际分布十分复杂，朴永俊[4]选取针-网电极直接对放电区域的电场进行仿真分析。图3为单针-网电极在针网间距10mm、外加电压10kv时的电场分布图以及电场矢量图，从图中可以明显看出，靠近针尖电极处的区域电场强度极高，而场强随着距离针尖的距离增加而衰减，且在针尖垂直网的直线上衰减最迅速。图4为针-板电极不同电压下的电场分布图像，当电压U=10kV时，电晕直径小于0.8mm；U=12kV时，电晕直径接近1mm；U=14kV时，电晕直径近2mm。可以看出，随着电压的上升，电场范围逐步增大，带电粒子所受到的电场力也会越大。

2.针-网/板电极结构研究

2.1国外研究

1709年，Hauksbee[5-6]首次发现了离子风。但是直到1899年，Warburg[7-8]才首次对单针-板电极进行研究，并提出Warburg定理，认为单针-板电极间的电荷密度的分布经验公式为：

（1）

其中为板面电荷密度，。因此电荷分布范围为，由于电晕离子风主要为离子与空气中的中性分子在电场的加速下运动所产生，因此离子风风速范围与之基本一致。1986年，R.S.Sigmond[9]对针-板电极结构的电流电压分布关系进行了理论总结。EricMoreau[10]等人选取针-网、针-环电极作为电晕放电发生装置，HuangRT等人研究了多针-网电极结构对于散热的影响，他们选取了4、6、18、60针四种针极数量，实验结果表明，对于特定的电压等级，无论电极排列如何，传热增强与电晕电流的1/4次方成正比。

2.2国内研究

王维等人利用自行设计的无摩擦测力平台探究了影响多针-网电极离子风推力大小因素，图8为电晕放电电极装置示意图，推力计算公式为：

（2）

其中I表示电晕电流，d表示电极间隙，µ表示离子迁移率可以看出推力随着针网距离的增加而有所提升。由表1可以看出采用曲率半径r较小的针电极可以产生更高的推力。李林[13]设计改进了放电结构，采用筒状电极作为放电电极提升管道中的电离率，在针-网电极的基础上附加环电极来均化极间电场，通过对实验结果的分析，他们发现在附加环电极之后，放电电流有所减少，电晕放电离子风转化效率得到了一定的提升，并且随着进一步的研究，他们发现环内径越小，流场最高点风速越大，此时环电极对离子风效应的影响越剧烈。

表1多针-网电极不同针尖曲率半径r下电流随电压变化表

3.离子风的应用发展前景

江南大学范明阳]等设计出一种以离子风技术为原型的氮氧源大气压等离子体射流装置，该装置在放电电压为6.8kV、氮氧比为1∶4、气体流量为4L/min的条件下，可以对大肠杆菌进行灭菌。在该条件下对大肠杆菌进行3min的灭菌消毒，大肠杆菌的灭活率达到98.4%。与传统灭菌方式相比，以离子风技术设计的该装置实现了等离子体射流的激发和细菌的灭活，灭活率高，由此可知，离子风能高效、合规地杀灭大肠杆菌。离子风技术的另一个实例主体是体现在飞行器流动控制和推进功能上。该飞行器的最高速度为0.7m/s，平均推力为90mN。2018年美国MIT研究者在Nature发表成果称已研制出离子风飞机。图12的NACA0010型机翼展宽5m，单组电极展宽3m，总2.45kg的飞机，以5.5m/s的初始速度，在开启电晕风的情况下，飞行了40-45m，高度上升了0.5m，速度降至4.5m/s。

表2离子风对大肠杆菌的杀灭效果

总结

1）离子风风速与电能转换效率受高压电极与地电极距离、电极形式影响。

2）不同电极形式的离子风速控制规律基本相同。

3）离子风应用于推进杀菌等方面，目前主要面临的技术难题是电能转换效率较低、出现能量饱和等现象。

参考文献：

[1]LovettCC.TheElectricGuitar：AHistoryofanAmericanIcon[J].TheJournalofPopularCulture，2005，38（6）.

[2]朴永俊.高压电晕放电中离子风效应及特性研究[D].哈尔滨工业大学，2016：29-31.