離子風效應的研究與應用綜述*

鄧煜生 徐春龍 余小林 南凱威

長安大學 陜西 西安 710021

引言

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

圖1 “針-板”電極結構放電示意圖

1 離子風效應理論研究

隨著離子風在除塵、強化散熱、干燥控制及空氣推進器等領域的應用越來越廣泛，如何充分發揮離子風性能成為科研工作者們研究的熱點。1899年，Warburg[2]提出“單針-板”電極結構下，得到兩個電極之間形成離子風時的電流密度分布經驗公式并通過實驗得到當針電極為正的高壓時m=4.82，在給針電極為負的高壓時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]通過研究發現離子風產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，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]通過進一步研究發現離子風風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系。M.S.June等[5]采用“針-環”電極結構，比較了在相同電壓條件，不同環電極直徑、針和環的間距等實驗結果后，發現相比于負電暈，正電暈產生的離子風風速較高，如圖2。當環的長度是倍的針-環間距時，電能動能的轉化效率是最高的。 N.E.Jewell-larsen和E.Tran[6]通過研究比較得出“針-板”電極結構能夠提供多渠道高效節能的離子風，如圖3。

圖3 “針-板”電極結構

圖4 “線-雙板”電極結構

Eric Moreau等[7]通過“針-網”電極結構發現交流高壓電對增強離子風效應的風速沒有明顯的效果，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”電極結構，通過研究發現當板電極的傾斜角度電暈放電可以得到最高的離子風風速。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)，探究了離子風機應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對除塵效果的影響，

西安交通大學邱偉、鄭程等[9-12]研究發現改變電極的參數時，離子風的速度和方向會相應的發生變化，通過實驗得到，給電極施加16kV的直流電時，可以得到風速高達6.08m/s的離子風；相同的電壓下，電極曲率半徑越小，得到的離子風風速越高；同時，通過實驗論證發現，相比于泊松方程，拉普拉斯方程對等離子體的優化計算與實際更加符合準確；另外，他們發現在電極附近的電離區內存在著高能量的電子。

圖5 “針-板”電極結構空間電荷分布圖

東北大學郭尹亮[13]，對比前人研究得到“針-板”電極結構特性，經過研究后提出了針電極之間的最優距離，即各針電極互不影響的間距是5cm。西安交通大學袁軍祥、楊蘭均等[14]也研究了“針-板”電極結構的電暈放電離子風效應（如圖5），他們設計了一種摩擦力可以完全忽略不計的測試平臺，通過這種設備測量離子風效應產生的推力，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下產生較大推力的方法。

哈爾濱工業大學樸永俊[15]采用數學模型分析電暈放電的離子風效應，從電子雪崩的數學模型中得出高電場強度能夠有效提升離子風效應；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風速的研究結果相似；從離子風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。

哈爾濱工業大學李林[16]對離子風空氣加速器的性能提升也做了研究，他通過電荷連續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學模型，根據公式計算出電暈放電的空間電勢、電場和電荷分布。

2 離子風的應用和發展前景

離子風發生裝置能將電能直接轉換成空氣的動能，無須機械旋轉部件，消除了機械振動噪聲，便于構造靈活多變的電極結構，適用于不同環境場合。目前，離子風的潛在應用十分廣泛，主要涉及設備散熱、空氣除塵和飛行器推進等方面。

近年來，許多學者對離子風在設備散熱方面的應用進行了研究。馮杰等[17]提出一種針-平行板電極的板式離子風發生器，討論了針的位置、板間距和板厚等參數對風速和對流換熱系數的影響；孔令劍等[18]利用COMSOL Multiphysics軟件建立了基于線-板電極結構離子風發生器的計算模型，對離子風發生器強化通道內對流換熱的能力開展了數值模擬研究；李小華等[19]設計一種"線-網"式離子風散熱器，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離子風在電子產品散熱裝置中的應用，以此提高電子產品的壽命和可靠性。

離子風在空氣除塵方面的應用近些年來也取得了一定的進展。較為成功的應用案例是離子風槍[21]，它是一種手持式靜電除塵器，可產生大量帶有正負電荷的離子流，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軟件平臺上進行計算；李海英等[24]以Fluent模塊為平臺，應用動力風模擬離子風，以數值模擬的方式研究了電除塵器內離子風對ESP氣流分布和除塵效率的影響；朱胤杰等[25]利用離子風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]將太陽能光伏技術與靜電除塵技術相結合，設計了一種太陽能靜電除塵電機，運用高壓直流電暈放電產生離子風的裝置將電能直接轉換成空氣的動能。

雖然離子風在飛行器推進領域有著很大的應用潛力，但由于其理論不夠完善，技術方面進展一直較為緩慢。2006 年德國Festo仿生技術公司利用空氣電暈產生離子風的原理研制了仿生離子風動力源飛行器B-ionic Airfish[27]；2009 年 NASA 的研究者針對無人太陽能飛機，對離子風推進技術進行了研究[28]，發現只有當離子風產生的推力與激勵器消耗的功率達到20N/kW且飛行器單位面積的推力達到20N時，離子風激勵器才能成為飛機的動力源；2018年，美國麻省理工學院航空航天學教授史蒂文·巴雷特研究團隊[29]創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推動的飛機。

綜上所述，離子風無論是在設備散熱、空氣除塵，還是飛行器推進方面都具一定的潛在應用價值，雖然目前它還處于實驗研究論證與實際相結合的初步階段，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的優勢與亮點，它在未來必將走得更遠。

3 離子風效應應用中的問題及解決途徑

雖然離子風效應的研究和應用已取得一定的成果，但想要商業化和大規模的應用仍面臨諸多問題和挑戰。針對實際應用過程中出現的種種問題，結合目前研究發展的現狀，就解決實際問題推動離子風效應的應用，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，雖然離子風的理論研究取得了一定的進展，但對于離子風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確的理論模型，并且在離子風推力產生的機理上，國內外學者也是觀點不一。理論模型建立的困難也與電暈放電現象本身受多種因素影響有關，F.W.Peek得到的起暈條件[30]從側面印證了這一問題。

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

3.2 電離空氣產生臭氧

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，甚至會導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生時產生，難以從根本上消除臭氧的產生。因此可建立臭氧監測預警體系[33]，嚴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的形成。單片機和CPU等精密的電子元件則會由于積塵導致內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，增設防靜電保護膜[34]，消除靜電，從根本上防止灰塵進入。

4 結束語

相比于傳統的利用旋轉部件產生氣流的方式，電暈放電所形成的離子風具有低噪聲、無電機、無風葉和低功耗等優點。在強化散熱、除塵、氣流控制及空氣推進等領域都有較為廣闊的發展前景。現階段國內外學者對于離子風的產生、流場分布及影響因素有了統一的認識。但在多場耦合的流場分布以及離子風產生推力的原理上，國內外學者觀點不一。從實驗中得到的風速推力和推功比等參數較小，制約了其在飛行器推進上的應用。雖然在離子風的強化散熱方面取得了一定的進展，但是也存在積塵和臭氧腐蝕等問題，使得離子風從理論到實際應用還存在一定距離。因此，合理的離子風推力模型、耐臭氧腐蝕的高性能材料和優化裝置設計提高推功比是解決離子風應用問題的有效途徑，也是未來離子風效應研究的重要方向。