電流體動力學應用進展

劉暢，張心明

電流體動力學應用進展

劉暢，張心明

（長春理工大學機電工程學院，吉林長春，130022）

電流體動力學具有巨大的潛在價值和廣闊的應用前景。回顧了電流體動力學的發展歷程，對電流體動力學在電流體泵、電流體干燥、蒸發和電噴霧三方面的應用展開評述，尤其是從基本方程和建模兩方面詳細介紹了電噴霧中的電暈荷電，最后對電流體動力學的發展提出了展望。

電流體動力學；電噴霧；電流體泵；電暈荷電；有限元

引言

電流體動力學，顧名思義就是在電場作用下的流體力學問題。電荷借助電極，通過分子極化以及電解質電離等方式進入流體，這一過程稱為荷電。流體中的微粒被荷電后，在受到外界電場力作用的同時，還受到流體介質內部表面張力、粘性力、慣性力的影響，使流體流動過程十分復雜。從中產生的許多新現象具有廣闊的應用前景，引起了科學界的廣泛關注。

本文分析了電噴霧荷電的機理、應用及建模。

1　電流體動力學發展回顧

1629年，尼科洛·卡貝奧第一次觀察并記錄了電流體動力學現象，他注意到鋸屑會被帶電體吸引，兩者觸碰后會發生排斥現象[1]。然而，他并沒有意識到這就是一種典型的電流體動力學現象。1709年，弗朗西斯·豪克斯比注意并記錄到，當人體靠近一個帶電細管時會感受到微風吹動，這次經歷是被公認的電流體動力學現象的首次發現。牛頓深入研究了豪克斯比的發現，將其命名為電風，并沿用了幾個世紀[2]，但是目前離子風這一名稱更為常用。威爾遜制造了離子風，并利用其驅動紙風車快速旋轉[3]。當時，電流體動力學現象雖然能夠被觀察到，但是科學家們缺乏充分解釋此現象的知識與技術。卡瓦羅給出了該現象的第一個定性理論，精確描述了離子風是一種飛行運動[4]。

數十年后，法拉第發表了關于電風的注釋，電流體動力學研究取得了巨大進展[5]。法拉第把離子風描述為一種動量轉移的過程，這一過程是由電離與未電離的空氣粒子之間發生碰撞或摩擦而引起的。

在第一次觀察到電流體動力學現象的250年后，麥克斯韋完成了離子風原理的第一次定量分析。麥克斯韋高度重視氣體放電的研究，盡管當時甚至缺乏能夠應用在氣體電子學上的基本數學處理模型。麥克斯韋的分析在當時最為完備，在現在依然正確，也為將來的研究提供了基石。隨著電流體動力學的發展，它在生產生活中的應用也越來越廣泛。

2　電流體動力學應用領域

2.1電流體泵

通過電場力對流體介質的電荷作用驅動流體流動的泵，稱為電流體泵。電流體泵主要分為氣體動力泵和液體動力泵。氣體動力泵應用于干燥精密機械散熱等方面，而液體動力泵應用于微電機系統、藥物輸送，以及微冷卻等。

1960年，羅賓遜和斯塔特勒首次提出了利用離子風設計靜電風機[6,7]。在對離子風的研究中，研究人員發現形狀相同的電極的檢測結果是一致的。通過測試針—環電極，羅賓遜估算出電暈放電時，能量從電能轉換到機械能的效率不到1%，顯然不能滿足生產生活應用。然而，電流體泵相較于傳統的機械泵有幾個明顯優勢，其中最主要的就是電流體泵沒有運動部件。因此，電流體泵不涉及機械振動，沒有磨損，沒有潤滑需求，而且在操作期間幾乎沒有聲音。

針對電流體泵能量轉換效率過低這一主要問題，一些科學家提出了改進方法。至今人們仍然致力于該項研究，但是由于每個研究人員測量流體速度和計算轉換效率的方法和裝置都不同，因此實驗結果并不具有直接可比性。2008年，莫羅和陶查德針對提高針—環電極和針—網電極模式下轉換效率的研究表明，正電暈通常能夠產生更高的風速，最大可達8 m/s，負電暈產生的最大風速也可達5 m/s[8]，徹底解決了轉換效率太低的問題。目前公眾雖然已經了解電流體泵的許多性能特性，但是這些特性與電極物理尺度之間的關系還有待繼續探索。

2.2電流體干燥及蒸發

1958年，克魯格與他的同事在研究離子風對微生物的危害時發現，在潔凈的空氣中，離子風能夠加快液滴蒸發速率[9]。30年后，科學家發現離子風能夠加強熱傳導效果，并且無論是負離子風還是正離子風，都能夠加快液滴的蒸發速率。除此之外，離子風還能夠提高薄層液體、海水以及土壤中水分的蒸發率[10-12]。不久以后，人們又發現離子風也可顯著提高土豆片的脫水率，引起了農業和能源產業的注意[13]。

在過去的數十年里，人們著重研究的是電流體對水的蒸發速率的影響，他們發現電流體干燥相較于傳統干燥方式更簡單、更有效率，引發了許多研究人員探索電流體干燥在特定工業領域應用可行性的欲望。在食品加工中，最快速的食品干燥方法是利用高能耗的烤箱，但卻造成了能源價格飛漲，因此拓展高效節能的新干燥方式勢在必行，而且越來越多的研究表明，利用電流體干燥食物對食物營養元素的保留十分有利。而電流體干燥引起能源產業的注意，則是因為人們發現其能夠提高菜籽油品質，意味其能夠成為品質更高且價格更低廉的生物燃料[14]，然而這一理想距離應用到實際生產還有很長一段路要走。

2.3電噴霧

電噴霧技術主要依靠的原理是電流體動力學的一個重要分支——電霧化。電霧化是靜電庫侖力克服液體表面張力，導致液體破碎成細小霧滴的過程[15]。由多種物質或組分組成的混合物流動稱為多相流動，其中物理化學性質或力學性質相同的組分稱為一組。若多相混合物的某相帶有靜電荷的流動，則稱為荷電多相流[16]。電噴霧是荷電的氣液兩相流動，其探究也主要是基于電噴霧荷電氣液兩相流特性。電噴霧的應用十分廣泛，例如電噴霧電離、電噴霧質譜、電噴霧除塵、電噴霧噴涂、電噴霧農藥噴灑等。

博斯于18世紀中期最早提出靜電液滴霧化現象。隨后，英國的瑞利于19世紀末對靜電液滴霧化理論及霧化過程進行了研究，得出液滴破裂的條件。1917年，澤萊尼開展了電噴霧定量研究[17]。1968年，泰勒計算出毛細管出口處圓錐液面的理論半錐角為49.3°，并由此被命名為泰勒錐[18]。此后，針對泰勒錐模型的研究從未停止，并取得了巨大進步。針對液滴的拋射頻率、液滴直徑，以及工作電壓、液體流量、液體電導率對于電霧化的影響，也都有較為明確的研究成果[19]。1992年，費爾南德斯研究了電霧化的霧場對泰勒錐錐角的影響[20]。

2.3.1電噴霧荷電機理

金屬導電是由于金屬內有可自由移動的電子，而液體導電是由于液體內部有可自由移動的離子。一般情況下，液體內部的這些離子是由電解質的電離產生的，也有因離子注入而產生的離子。雖然公眾對液體導電性已經有了深的認識，但對液體帶電的機理則不然。此項研究始于1890年埃爾斯特和蓋特爾在阿爾卑斯山的瀑布中觀察到伴有靜電火花的帶電霧滴[21]。

液體帶電的機理與液體分子結構息息相關[22]。在人們的普遍認識中，液體并不帶電，這是由于一般情況下，液體物質任一部分中包含的電子總數與質子總數持平，從而不表現出帶電。然而，液體在外力的作用下會得到或者失去一部分電子，使得液體表現出帶電，且一般分為兩種情況：一是由于液體本身流動、蒸發、分裂，而形成自然電荷；二是由于利用離子源、電源等使其強制帶電，而產生強制電荷。

圖1　自然電荷產生原理

在液相接觸氣相或固相的交界面時，液體中離子的存在導致形成偶電層。偶電層中固體表面的離子層為固定電荷層，處于液體中的異號離子層為擴散電荷層。當液體流動時，偶電層的平衡被破壞，導致液體帶電，這就是自然電荷的產生原理，如圖1所示。

強制電荷的產生則分為很多情況：浸潤電極荷電（直接荷電）、紫外線/X射線等電磁波荷電、感應荷電、電暈荷電。直接荷電法是在噴霧頭上直接接通電極使其荷電；電磁波荷電利用紫外線/X射線等高能電磁波照射液體中的金屬電極，使電子得以釋放，再將其注入液體而使之帶電；感應荷電是在距離噴嘴一段距離處放置一環形電極，并保證霧滴通過電極時，霧滴與電極之間有足夠的距離保證避免擊穿現象[23-25]，且環形電極上接通高電壓，使得噴嘴與液面之間形成很厚的電偶層，當霧滴經過此處時，將攜帶電偶層的電荷；電暈荷電[26,27]是在噴嘴前端放置尖端電極接通高電壓，產生電暈場，由于其中充斥著大量的自由電子，當霧滴經過時，通過慣性碰撞作用及擴散作用使自由電子附于其上，從而荷電。液滴帶電基本模式主要有如圖2所示的幾種。

圖2　液滴帶電基本模式

2.3.2電噴霧荷電的發展——以電暈荷電基本方程及建模為例

（1）電暈荷電基本方程

電暈放電現象由于涉及流體，物理機理非常復雜，至今也未被完全理解。盡管如此，可以通過設置適當的邊界條件，將數學問題得以簡化。聯合高斯定律，滿足泊松方程的電勢V可以用來描述電場強度E，即

其中，ρ——空間電荷密度，ε0——液體的介電常數，V——發射電極的電勢。

考慮到電流的連續性條件，電流密度j可表示為

其中，j來源于三個參數的組合：①電場作用下離子的移動；②流體流動作用下借助分子發生的電荷運輸；③漫射作用。故j也可表示為

其中，με——離子遷移率，D——離子擴散系數，U——流體流動流速。

利用納維—斯托克斯方程

作為流體動力學方程，其中，ρ——流體密度，p——壓強，μ——流體動態粘滯度。

如果流體流動是不可壓縮的并且密度恒定，那么連續性方程為

在給定合適的邊界條件下，式（1）～式（6）可以應用其所針對的數學問題得出一個適宜的解，這也就意味著在利用電暈荷電時，可以通過控制參數的變化而對發電過程進行掌控，擺脫了發電過程的不穩定性。在任何幾何坐標系下，電壓V都是兩個或兩個以上坐標的函數，因此利用數學方法解決上述問題十分困難[28]。因此，迫切需要開發和使用數值技術進行計算，因此促進了電流體動力學的相關研究。隨著計算機技術的巨大發展，滿足了數值方法所需的計算能力，因此最近電流體動力學的研究再次洶涌澎湃。

（2）電暈荷電建模

很明顯，解出式（1）～式（6）的前提是數學領域的突破性進展，于是一些工程師和科學家探索了各種方法計算電場相關現象。其中有限元的提出重燃了電流體動力學研究的希望，科學家們很快意識到，通過相對簡單的有限元計算可以得到令人滿意的結果。有限元法把不規則域內無法解決的問題離散為大量三角元，形成一個網狀子域，單獨解決偏微分方程子域后再進行疊加，可求出近似解。在要求精準度的網格處可以劃分更細，而在其他位置稀疏一些。然而，在高精確度的要求下，有限元線性代數方程階數會很高，即使是非常小規模的系統，尤其是當電極半徑非常小的情況下，也不例外。

在早期，人們曾經嘗試計算1 min內電暈放電的數據，發現即使是單一區域內的問題也十分復雜。雖然在一些實際情況下可以利用物理結構的對稱性，僅計算四分之一區域，但即便如此，問題復雜度也遠超當時的計算能力，即使是最基本的幾何模型的計算，都需要計算機擁有巨大的處理能力，這對于當時來說是根本不可能實現的，尤其當配置電極只有非常小的曲率時，計算非常耗時。數年后，若網格只是由幾百個單元組成，可在1 h左右完成一個簡單二維幾何結構的仿真。與過去相比，近幾年有了顯著改善，在二維條件下，僅需數分鐘的時間就可完成由數百上千個網格組成結構的物理場計算。

隨著計算機處理能力的提高，科學家們著力于開發更為復雜的算法，以模擬空間中更為復雜的電場，以及電暈放電產生的流動現象。莫羅完成了電暈放電的第一個算法，他設法分析時域內電暈放電的整個過程。接下來的幾年里，不斷有學者改進該算法，但是它們極其復雜，而且對計算處理能力提出了更高要求。多數算法使用的是多個數值方法，例如邊界元法、特征線法、有限差分法、有限體積方法和有限元法的組合。

事實上，也存在一些借助計算流體動力學軟件進行求解的數值模型。然而，基于數值模擬軟件的有限元法一直是最受青睞的，因為它已被證實是自21世紀以來最具普遍性的電磁建模方法。2007年以來，電暈放電建模呈爆炸式增長，特別是電極曲率半徑可以達到很小，使得電暈放電模型可以很好地被空間離散化。然而，目前關于離子風和電流體動力學的大多數研究都只是基于一些特殊情況的模擬，而沒有一個通用的解決方案。

3　結束語

電流體動力學在許多領域都擁有十分廣闊的應用前景，發展迅速。電流體動力學在各大商業領域，例如食品加工、制藥和電子行業等也有實際應用。電流體動力學廣泛的實用性以及巨大的經濟效益吸引了許多研究人員的注意，而目前其發展的主要問題局限于理論和應用兩方面。

由于在電流體動力學研究中需要考慮到流體力學、電學、物理、化學等多學科的綜合影響，所以很多原理性問題并不具有完備的理論，尤其是電荷在電流體中的運動規律，以及電場力作用下表面張力、慣性力、電磁力所受的影響等方面。雖然科學家針對電流體動力學的應用提出了許多模型，例如電流體風力發電、電霧化制備納米材料、電流體泵等，但是目前都僅處于實驗室階段，距離應用于實際生產生活中還有很長一段路要走。

電流體動力學研究意義重大，其國際研究成果比比皆是，但國內的研究仍十分有限。隨著科技與經濟的發展，電流體動力學必將做出巨大貢獻。

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劉暢(1991-)，碩士生。研究方向：精密和超精密加工技術。

E-mail: 1013645340@qq.com

張心明(1967-)，碩士，教授。研究方向：精密和超精密加工技術。

Review on the Application of Electrohydrodynamics

LIU Chang, ZHANG Xin-ming
(College of Mechanical Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin, 130022, China)

Electrohydrodynamics (EHD) has a huge potential value and a wide application prospect. The development history of EHD is retrospected. Applications of EHD, such as valveless piezo electric pump, drying and evaporation of current body, and electrospray, are reviewed. Corona charging in electrospray is especially introduced in detail from fundamental equations and modeling. At last, the development of EHD is forecasted.

Electrohydrodynamics (EHD); Electrospray; Valveless Piezoelectric Pump; Corona Charging; Finite Element Method

O361.4

A

2095-8412 (2016) 05-1047-05工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.060