離子風的應用研究進展

張 明 李丁晨 李 傳 李家瑋 楊 勇

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074 2. 華中科技大學電氣與電子工程學院磁約束聚變與等離子體國際合作聯(lián)合實驗室 武漢 430074）

0 引言

氣體在高電壓的作用下發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子在電場作用下加速，并與空氣分子碰撞引起的動量交換，在宏觀上表現(xiàn)為流體運動，稱為“離子風”，也叫“電流體（Electrohy Drodynamic, EHD）”或“電暈風”[1]。離子風是由Hauksbee在18世紀首先發(fā)現(xiàn)的[2]。由于離子風具有低噪聲、低功耗、響應速度快和無機械運動部件等優(yōu)點，進入21世紀以來，離子風逐漸成為研究的熱點。

隨著對離子風研究的不斷深入，其應用領域得到了不斷拓展。例如在食品干燥領域，離子風可以加速食物表面水分的蒸發(fā)，從而延長食品保存時間[3-5]；在溫度控制領域，利用離子風的流體性質可以帶走周圍的熱量，從而強化電子設備和元器件的 空氣對流散熱[1,6]；在推進領域，離子風可以控制邊界層流體，抑制機翼氣流分離，從而降低飛行時的空氣阻力，提升飛行器的升力[7-9]；在助燃領域，離子風可以帶入放電過程中產(chǎn)生的活性粒子，促進燃料燃燒，提高燃燒效率[10-11]；在空氣凈化領域，離子風所攜帶的電粒子與空氣中的顆粒和微生物充分混合后，可凝聚顆粒，殺死微生物[11-14]。

離子風在實際應用和改進方面的研究熱點如圖1所示。本文主要從離子風的實際應用和離子風激勵器結構改進兩個方面對離子風近年來的研究成果予以介紹。本文首先介紹離子風的發(fā)生方式；其次，總結典型電極結構所產(chǎn)生離子風的特點，并綜述近年來離子風在典型領域的應用現(xiàn)狀；然后，總結離子風激勵器的結構改進策略；最后，對離子風在未來的發(fā)展趨勢提出了作者的觀點。

圖1 離子風在實際應用和改進方面的研究熱點Fig.1 Research hotspots of ion wind in practical application and improvement

1 離子風的發(fā)生方式

離子風作為氣體放電的一種現(xiàn)象，其產(chǎn)生的方式主要有電暈放電和表面介質阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。也有研究者通過輝光放電產(chǎn)生離子風，但輝光放電是電暈放電提高電壓后產(chǎn)生的結果，其基本裝置圖與電暈放電相同[16-17]。圖2所示為兩種典型離子風激勵器結構示意圖。基于電暈放電和SDBD的離子風發(fā)生裝置都是帶電粒子在電場作用下與空氣分子發(fā)生碰撞，進行動量交換從而產(chǎn)生離子風。

圖2 離子風激勵器基本結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the basic structure of an ion wind actuator

1.1 電暈放電

基于電暈放電的離子風激勵器，其電極含地電極和曲率較大的高壓電極，高壓電極與高壓直流電源相連。如圖3所示，典型電極結構有針-板式（圖3a）、針-網(wǎng)式（圖3b）、針-環(huán)式（圖3c）、線-板式（圖3d）、線-網(wǎng)式（圖3e）、線-筒式（圖3f）。高壓電極周圍存在不均勻電場，使得電極附近的氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生的帶電粒子存在于高壓電極附近的很小的區(qū)域內，即“電離區(qū)”。電離區(qū)的帶電粒子在電場作用下向地電極運動，途經(jīng)區(qū)域稱為“遷移區(qū)”。帶電粒子在運動過程中與空氣分子碰撞交換動量，從而產(chǎn)生氣體流動。

圖3 六種典型電暈放電電極結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of six typical corona discharge electrode structures

電暈放電按照所用電源電壓極性可分為正極性和負極性。無論是正極性還是負極性，離子風的方向總是由高壓電極指向地電極，這是由帶電粒子的運動方向決定的[18-21]。基于電暈放電的離子風激勵器多為正極性，這是因為正電暈放電所產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少[16]。需要指出的是，隨著電暈放電所施電壓升高，放電模式將經(jīng)過電暈放電進入輝光放電階段。輝光放電的電子能量和放電電流都比電暈放電要高，所產(chǎn)生的離子風強度也更高[17]。但輝光放電所需電壓等級接近火花放電，對電壓控制精度要求較高，因此基于輝光放電的離子風激勵器在實際中應用不多。

1.2 介質阻擋放電

基于介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）的離子風激勵器裝置主要由封包電極（植入電極）與暴露電極（表面電極）構成，且封包電極被電介質材料包裹，如圖2b所示。高壓交流電源啟動后，暴露電極周圍產(chǎn)生的強電場將加速電極附近空氣中自由電子、離子與空氣分子碰撞。當電子能量達到閾值后，電子可以碰撞電離中性粒子，并使其釋放出新的電子。釋放出的電子繼續(xù)與其他中性粒子發(fā)生碰撞電離。放電過程中，帶電粒子積聚在電介質上，形成表面電壓。該表面電壓可以有效補償施加的電壓，從而避免劇烈放電引起火花。當交流電壓切換極性時，電介質上的帶電粒子被加速，與空氣分子發(fā)生動量交換形成離子風[20]。

基于DBD產(chǎn)生的帶電粒子在電場的作用下做定向運動，與空氣分子發(fā)生碰撞，進行動量交換，從而使暴露電極附近的空氣產(chǎn)生定向運動，形成離子風。離子風總是朝著遠離暴露電極的方向流動[16]。

2 離子風的特點

離子風形態(tài)和風速共同決定了離子風的應用領域。不同的電極結構對離子風流場形態(tài)影響很大[22-23]，國內外學者對典型電極結構下的離子風形態(tài)和風速進行了廣泛的研究。

現(xiàn)有的方法主要用仿真與實驗的研究離子風特性。仿真方法主要是忽略電離層的作用，通過帶電粒子所受靜電力作為體積力與N-S方程耦合進行模擬[1]。若要進一步優(yōu)化模型，可分區(qū)域計算電離區(qū)與遷移區(qū)模型。實驗方法主要是直接測量風速與拍攝示蹤粒子[8]。直接測量風速雖然能夠得到具體風速，但無法獲得離子風的流場分布，并且測量精度受儀器精度影響大；由于示蹤粒子的運動速率與真實流場速率存在差異，不能反映真實的流場速率，但示蹤粒子可以直觀地反映離子風流場的分布。圖4a是通過高速相機拍攝的針-板式電暈放電產(chǎn)生的離子風可視化照片[24]。在圖中可以清楚地觀察到電離區(qū)和離子遷移區(qū)。電離區(qū)分布在高壓針電極周圍，呈白色。由于電離區(qū)厚度與遷移區(qū)相比很小，因此在離子風數(shù)值模擬中，一般可忽略電離區(qū)的厚度[1,25]。圖4b和圖4c是針-球、針-網(wǎng)電極的離子風可視化照片[26-27]。

圖4 三種電極結構下離子風激勵器流場分布Fig.4 Flow field distribution of ion wind actuator under three electrode structures

影響離子風速度的因素較多，主要有放電形式、 電極結構和電壓等級。表1匯總了近年來國內外學者對典型電極結構下離子風風速的研究成果。可以看出，電極間距一般在20mm及以下，所施加電壓等級多在20kV以下，離子風風速一般小于8m/s。

表1 典型電極離子風風速匯總Tab.1 Summary of ion wind speeds of typical electrodes

3 離子風的應用

離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領域的廣泛應用，主要有食品干燥、溫度控制、推進、助燃和空氣凈化等。以下為離子風在各領域中應用現(xiàn)狀的分析與總結。

3.1 食品干燥領域

潮濕環(huán)境易加速食物腐敗變質，因此食品干燥技術對延長食品保質期至關重要。現(xiàn)有干燥技術主要有加熱干燥、真空冷卻干燥、微波干燥和太陽能干燥[47]。加熱干燥，通過升高溫度加速水分的蒸發(fā)，但較高的溫度會加速某些食品的損壞或變質，此外加熱干燥能耗較高。真空冷卻干燥，雖然不會損壞食物營養(yǎng)結構，但需要真空環(huán)境，能耗較高[3]。微波干燥和太陽能干燥與加熱干燥相似，難以避免對食物品質造成一定的損壞。張立等[48]對不均勻電場下液態(tài)水蒸發(fā)的研究表明，一定電壓下高壓電極產(chǎn)生的離子風，可極大促進液態(tài)水的蒸發(fā)，為離子風干燥食品提供了原理支撐。

Bai Yaxiang等[4]對比了離子風（針-板式電極）與烤爐對海參的干燥效果，結果表明，盡管烤爐干燥速度快，但烤爐的高溫會使海參變質。而離子風不僅具有良好的干燥效果，而且能耗僅為烤爐干燥的21.31%。Ding Changjiang等[49]對比離子風和烤箱干燥后胡蘿卜片中的胡蘿卜素含量，發(fā)現(xiàn)前者含量遠高于后者。以上研究表明，雖然離子風具有良好的干燥效果且能耗低，但空氣電離出的臭氧等副產(chǎn)物與食品發(fā)生化學反應，比如A. Martynenke等[50]研究離子風干燥蘋果片時發(fā)現(xiàn)，離子風的確增強了蘋果片水分的蒸發(fā)，但蘋果片的顏色同時也發(fā)生了改變，其原因可能是放電副產(chǎn)物與蘋果表面發(fā)生了化學反應，生成醌類化合物。Yu Hongjian等[47]使用離子風干燥馬鈴薯片時發(fā)現(xiàn)，離子風對馬鈴薯還原糖的含量影響較小，但干燥樣品在復水后，存在質量損失現(xiàn)象，損失的成分主要是淀粉。

此外，電極結構對干燥效果也有很大影響。T. Defraeye等[51]對不同電極結構的離子風干燥效果進行了對比，對比結果表明線-網(wǎng)式電極對食品的干燥更均勻，干燥率更高。這是由于電極結構直接決定了離子風流場的形態(tài)，食品與氣流的接觸面積不同從而導致最終干燥效果的不同。

離子風干燥法與傳統(tǒng)的干燥方法相比，功耗小、噪聲低，在一定程度上可以防止食品損壞，但氣體放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物可能導致食品變質，所以未來離子風在食品干燥領域的應用需要解決的問題：①由于氣體放電對空氣的電離，會產(chǎn)生臭氧等副產(chǎn)物，可能會與干燥物表面物質發(fā)生化學反應，因此必須抑制氣體放電副產(chǎn)物的產(chǎn)生，減小對干燥食品的影響；②目前離子風的強度不高，因此必須優(yōu)化電極結構，提高干燥效率。針對副產(chǎn)物問題，可以在電極附近增加吸附裝置，吸收氧化物，吸附裝置可采用網(wǎng)孔狀，這是因為網(wǎng)孔狀裝置不會對離子風的風速產(chǎn)生較大影響。對于電極的優(yōu)化，需要根據(jù)具體的應用效果進行改進，在干燥領域，需要氣流達到一定的速度，又必須使流場均勻。可以采用曲率半徑較小的針電極作為高壓電極，電源采用正極性，正極性的離子風在相同電壓下比負極性離子風強度略高。地電極可以采用網(wǎng)狀電極，網(wǎng)狀電極可以使氣流分布更加均勻，提高干燥效率。

3.2 溫度控制領域

隨著集成電路中電子器件集成化程度的提高，電子器件散熱問題成為制約集成電路發(fā)展的關鍵之一。由于離子風的流體性質，近年來發(fā)展出了不少基于離子風的器件冷卻方法：一種是將離子風激勵器作為“空氣泵”直接冷卻器件；另外一種則是利用離子風產(chǎn)生局部湍流，通過調控邊界層流體形態(tài)，強化局部散熱效果[22]。

近年來，離子風直接用于熱源冷卻的研究主要體現(xiàn)在冷卻加熱板、LED以及電子芯片，冷卻效果多以傳熱系數(shù)強化因子（定義為離子風下的傳熱系數(shù)與自然傳熱系數(shù)的比值）和最高溫度下降度數(shù)（溫度降）進行表征，見表2。此外，也有通過熱阻來表征傳熱效果的研究，如Ingyoun Chen等[52-53]利 用離子風冷卻LED時發(fā)現(xiàn)，熱阻值可從80℃/W降低到41℃/W。

表2 幾種典型結構冷卻研究匯總Tab.2 Summary of cooling studies of several typical structures

（續(xù)）

利用離子風產(chǎn)生渦流源，進而強化局部冷卻效果的基本原理如圖5所示。當通道內存在外部氣流時，給電極施加電壓形成離子風，離子風的上游與下游會形成兩個不同的流動區(qū)域。在離子風的上游，離子風的方向與來流方向相反，形成渦流區(qū)。外部氣流無法通過該區(qū)域，形成邊界層與壁面分離。在離子風的下游，離子風產(chǎn)生的壁面射流將形成新的邊界層，該邊界層可由所加電壓進行調控。

圖5 離子風控制邊界層示意圖Fig.5 Schematic diagram of boundary layer controlled by ion wind

需要指出的是，離子風協(xié)同低速來流時冷卻效果更好。D. H. Shin等[1]基于線-板電極的研究發(fā)現(xiàn)，在低雷諾數(shù)（100～200）下，離子風和來流協(xié)同作用下的傳熱系數(shù)比僅有來流時提高了11%，但在高雷諾數(shù)（2 500～3 500）下，傳熱系數(shù)反而只有來流單獨作用時的73%。不同高壓電極形式對傳熱系數(shù)的影響如圖6所示，張立等[17]研究針電極、針-環(huán)電極、線電極下離子風與來流的協(xié)同冷卻效果時，發(fā)現(xiàn)針-環(huán)電極的局部換熱能力最強，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達68W/(m2·℃)，是自然表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的3.5～4.5倍，達到單獨使用離子風散熱的1.7倍以上，是單獨使用來流散熱的2.5倍。

圖6 不同高壓電極形式對傳熱系數(shù)的影響[17]Fig.6 Influence of different high-voltage electrodes on heat transfer coefficient[17]

在溫度控制領域，離子風由于功耗低、響應快、噪聲小、散熱強等優(yōu)點，比傳統(tǒng)機械式風扇更有優(yōu)勢。通過優(yōu)化電極結構，還可有望實現(xiàn)集成化冷卻。但離子風中的帶電粒子帶來的絕緣問題和電磁干擾問題會影響電子設備的使用，若要在未來實現(xiàn)離子風冷卻的集成化，還需解決以下兩個問題：①離子風是由于氣體電離出的帶電粒子在電場的加速下產(chǎn)生的，因此離子風中會帶有大量的帶電粒子。當使用離子風冷卻時，部分帶電粒子會沉積在冷卻對象上，若冷卻對象為電子設備，會破壞設備的絕緣性能，因此需要消除帶電粒子的影響。針對這個問題，可以采取雙極性放電的形式，這種放電結構產(chǎn)生的帶電粒子可以自中和，大大削弱了離子風的帶電性。②優(yōu)化電極，進一步提高風速。雙極性離子風發(fā)生器由于帶電粒子的中和，粒子受電場力的時間短，風速較弱。因此，可以在雙極性高壓電極之間加入電介質材料，延長帶電粒子的受力時間。也可以設置多級電極，對帶電粒子多次加速以提高離子風強度。

3.3 推進領域

離子風作為一種能改變氣流形態(tài)的流體，通過減小飛行器阻力和產(chǎn)生推力，可作為一種推進器的新型動力源。該推進方式還具有響應快、能耗低、噪聲小以及無機械運動部件等優(yōu)點。

在減小阻力方面，J. R. Roth等[67]在飛機機翼上安裝了DBD離子風發(fā)生裝置，如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)，氣體放電產(chǎn)生的帶電粒子在電場作用下加速，可抑制邊界層的氣流分離，從而減小機翼阻力。同時，電極位置和供電方式也會影響機翼的氣動性能。D. Y. Kwak等[68]研究了電極放置方式對機翼氣動性能的影響，得到了最優(yōu)放置方案。R. Mark等[69]對連續(xù)放電和脈沖放電的氣動效果進行了研究，發(fā)現(xiàn) 脈沖放電的氣動效果較好。

圖7 離子風抑制機翼氣流分離示意圖[67]Fig.7 Schematic diagram of ion wind suppression wing airflow separation[67]

在產(chǎn)生推力方面，離子風推力的大小受到電壓、電極結構、電極位置和電極數(shù)目的影響。任軍學等[70]對線-附面電極的離子風推進裝置進行了研究，測量了電壓與推力的關系。王維等[7,71]采用多針-網(wǎng)式電極研究了離子風激勵器的結構運行參數(shù)對推力與推功比的影響，實驗獲得的最優(yōu)結構可產(chǎn)生的最大推力為43.3mN。N. Monrolin等[72]采用線-筒電極離子風激勵器產(chǎn)生的推力受到集電極位置的影響，最大推力可達到約56mN/m。S. Sato等[45]采用多電極DBD產(chǎn)生的離子風推力為2.7mN/m，并且推力密度與電極數(shù)目成正比。

基于上述對離子風推力的研究，國內外很多團隊已經(jīng)研制出了離子風推進器。Xavier Borg-Blaze團隊[73]研制了基于線-附面電極的離子風推進器，并得到了不同工況下的推力和推功比。德國Festo仿生技術公司[74]發(fā)明的B-ionic Airfish離子風推進器，平均推力可達90mN，飛行速度達到0.7m/s。圖8所示為Xu Haofeng等[75]研制的離子風推進器，可以在2m高的空中飛行60m左右。需要指出的是，雖然在實驗室條件下離子風推進器可實現(xiàn)一定距離的飛行，但NASA對離子風推進技術的研究發(fā)現(xiàn)，當離子風產(chǎn)生的推功比達到20N/kW，且飛行器推力密度達到20N/m2時，離子風激勵器才能替代傳統(tǒng)機械式發(fā)動機成為太陽能飛機的動力源[76]。

圖8 離子風推進器[75]Fig.8 Thruster driven by ion wind[75]

雖然離子風推進器還在實驗研究階段，無法大規(guī)模使用，這些實驗已驗證離子風在推進領域應用的可行性，但由于推功比和推力密度難以同時提升，還無法遠距離推進。若使離子風在推進領域上大范圍應用，需要解決兩個問題：①提高推功比，同時提高推力密度，以滿足飛行的最低空氣動力功率要求；②優(yōu)化離子風激勵器、激勵器與機翼的位置匹配關系，減小推進器的阻力。推進器的推力功比主要與放電能量和電極結構有關。因此離子風推進器需要高功率電源，但高功率的電源質量較大，無法滿足推進器的要求。所以考慮縮小電極間距，并采用微型高壓電源。針對離子風激勵器和機翼的位置匹配關系，可以從電極距離及角度等方面考慮，尋找最優(yōu)電極間距和角度。

3.4 助燃領域

燃料不充分燃燒，不僅會造成資源浪費，還會產(chǎn)生有害物質，造成環(huán)境污染。等離子體助燃是一種新型助燃技術。在氣體放電過程中會電離出大量的活性自由基、激發(fā)態(tài)組分等高活性的粒子，這些活性粒子能夠大大促進燃料的燃燒。伴隨放電產(chǎn)生的離子風可作為一種輔助手段，將這些活性粒子送往燃燒區(qū)，加速化學反應。

近年來已經(jīng)有學者將離子風用于助燃領域。離子風將氣體放電生成的活性粒子推向火焰的預熱區(qū)，加速了化學反應，增加火焰的穩(wěn)定性[77]。B. N. Ganguly等[10]在火焰附近施加直流電場，預熱火焰區(qū)域的活性自由基密度高達1011/cm3，使燃燒得以強化。E. N. Volkov等[11]研究了電場對火焰熱聲行為的影響，火焰在電場作用下向燃燒器移動，燃燒器表面溫度升高，燃燒更加穩(wěn)定。Zhang Yang等[78]的交流場對火焰的影響實驗研究顯示，電壓會對火焰造成一定程度的影響，離子風在低壓段的作用明顯，它可以增強燃料與空氣的混合，以促進燃燒。圖9所示為J. Kuhl等[79]采用環(huán)形電極放電影響層流預混火焰，研究結果表明，離子風可將活性粒子和新鮮空氣送入燃燒區(qū)，并將火焰推至燃燒器，提高了廢氣溫度，擴大了最高溫度的區(qū)域范圍，從而促進燃燒，減少了有害氣體的排放。

圖9 直流電場對預混火焰影響示意圖[79]Fig.9 Schematic diagram of the effect of a DC electric field on a premixed flame[79]

雖然理論上離子風在等離子體助燃領域的確可以起到較好的輔助作用，但相關技術還不夠成熟，在實際應用中還需要解決以下兩個問題：①離子風助燃作用主要是向燃燒區(qū)輸送氧氣和帶電粒子，因此將氣體放電產(chǎn)生的高濃度活性粒子定向送至燃燒區(qū)非常關鍵。②如何確定最優(yōu)的電極方案和運行條 件，使燃料與氧氣充分混合，提高燃燒效率。由于火焰本身屬于等離子體，因此火焰中存在大量的帶電粒子，在燃燒器附近設置交流電場，擴大燃燒區(qū)的面積，這樣可以擴大離子風攜帶的氧氣和帶電粒子與火焰的接觸面積，以提高燃燒效率。

3.5 空氣凈化領域

等離子體在空氣凈化領域應用廣泛，氣體放電過程中產(chǎn)生的帶電粒子與待處理的空氣混合后，對有害微生物進行消殺，促進顆粒物的凝并，提高空氣質量。M. J. Gallagher等[80]通過等離子體直接處理空氣，雖然殺菌效率可以高達97%，但放電產(chǎn)生的臭氧達到了28μg/L，會造成二次污染。由于離子風的流動性，可將電極產(chǎn)生的帶電粒子與空氣中的微生物充分混合，既可以提高殺菌效率，又能夠稀釋臭氧含量。

E. Timmermann等[14]采用DBD作為等離子體源聯(lián)合離子風處理室內空氣，并與等離子體直接處理后的空氣做了對比，研究結果如圖10所示，等離子體直接處理空氣后臭氧含量高達15 000μg/L，而殺菌率只有24%；但等離子體與離子風聯(lián)合處理后的臭氧含量僅為362μg/L，且殺菌率高達95%。 M. Schmidt等[81]利用相同的原理分解空氣中的甲乙酮，結果顯示等離子體和離子風共同作用下分解率達94%。以上都是針對空氣中的細菌和有害氣體的研究，離子風由于攜帶活性粒子，還可以用于有關病毒的消殺，阻斷病毒的傳播途徑等。

圖10 有無離子風情況下不同電氣參數(shù)對臭氧濃度和 殺菌率的影響[14]Fig.10 Influence of different electrical parameters on ozone concentration and sterilization rate with or without ion wind[14]

在靜電除塵中，通過離子風對除塵效率也有著重要影響。T. Yamamoto等[12]通過實驗證明了靜電除塵過程中顆粒受電場、來流和離子風的共同作用。離子風影響顆粒物的驅進速度和荷電時間，從而影響除塵效率。離子風對除塵效率的影響與來流速度有關，Liang W.J.等[82]對電除塵效率的數(shù)值計算的結果顯示，當來流速度大于0.6m/s，離子風對除塵效率的影響可以忽略；當來流速度小于0.2m/s，離子風能提高除塵效率。Wang Yifan等[83]對蜂窩式靜電除塵器的除塵效率進行數(shù)值計算的結果顯示，離子風在這種電極結構中有促進顆粒凝聚，減小顆粒沉積死區(qū)的作用。Zhang Jianping等[84]對離子風在線-筒電極除塵效率的數(shù)值計算結果表明，離子風可以促進PM2.5的收集，最高效率可達83.1%。然而，沈欣軍等[18]的研究表明離子風會在除塵器中形成渦流，阻礙顆粒物的捕集。

李慶等[22]的研究結果表明，電極結構是離子風影響除塵效率的關鍵，因此可以通過改變電極結構來改變流場形態(tài)，從而提高凈化效果[85-86]。Shen Heng等[87]對五種不同形狀收集極的靜電除塵器流場的模擬計算結果顯示，電極形狀影響流場分布，從而影響除塵效率。如圖11a所示的傳統(tǒng)的線-板靜電除塵器，但二次揚塵會降低除塵效率。對此，T. Yamamoto等[88]將線-板電極的集電極改造為袋狀結構，如圖11b所示，有效地抑制了二次揚塵，小粒 徑顆粒的收集效率提升至80%。

圖11 線-板式電極靜電除塵器[88]Fig.11 Wire-plate electrode electrostatic precipitator[88]

近年來雙極性離子風也被用來凈化空氣。Chang Qianyun等[89]采用雙極性預荷電裝置輔助收集空氣中顆粒的研究表明，離子風可以加強不同極性顆粒物的混合，加速顆粒物的凝并，與沒有預荷電裝置靜電除塵器相比，除塵效率提高了12%。雙極性電暈放電離子風顆粒收集裝置如圖12所示，V. T. Dau等[90]采用雙電極電暈放電離子風激勵器收集空氣中的顆粒物。針電極可產(chǎn)生雙極性的離子風，既可以促進正負極性顆粒凝并，也可以加快顆粒物的驅進速度，除塵效率可達到94%。

圖12 雙極性電暈放電離子風顆粒收集裝置[90]Fig.12 Ion wind particle collection device for bipolar corona discharge[90]

離子風在空氣凈化領域的應用已日漸成熟，在未來有望實現(xiàn)室內空氣凈化，但需要解決以下兩個問題：

（1）通過放電凈化空氣，主要是帶電粒子與空氣中的污染物的結合，在電場作用下消除污染物，因此需要優(yōu)化電極結構，提高帶電粒子濃度，并使離子風將帶電粒子與空氣微生物和顆粒物充分混合，使得離子風的流場形態(tài)更有利于促進顆粒凝并。改變地電極形狀，影響流場形態(tài)，例如電源使用三相電源，可以提高運行電場強度[83]；地電極使用波形電極，增加離子風的湍流度，也可以在高壓電極與地電極之間設置交流電場，帶電粒子可以與污染物充分接觸，加速污染物的沉降。

（2）放電過程中產(chǎn)生的臭氧如果不加以處理，會造成二次污染，因此需要抑制有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在高壓電極附近安裝紫外線照射裝置可以有效抑制臭氧的產(chǎn)生；另外在凈化裝置前設置一個加濕器，空氣濕度的提高也可以有效抑制臭氧等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

綜上所述，離子風在食品干燥、溫度控制、推進、助燃、空氣凈化等領域的研究都取得了重大進展，離子風所具有的獨特優(yōu)點使其的應用范圍非常廣泛，應用前景光明。雖然離子風在很多領域還在實驗階段，并且一些關鍵問題還有待解決，但未來離子風的應用將會更加成熟。

4 現(xiàn)有的離子風激勵器改進策略

針對上述離子風在各個領域中存在的問題，國內外學者已經(jīng)對離子風激勵器提出了一些改進策略，以求在各領域內最大化離子風的作用效果。

4.1 抑制有害副產(chǎn)物產(chǎn)生

氣體放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物會引起食品在一定程度上的變質，并且在空氣凈化過程中，若副產(chǎn)物得不到有效抑制，會造成二次污染。為了抑制副產(chǎn)物的影響，可以在離子風激勵器上安裝紫外線照射器，抑制臭氧的產(chǎn)生[91]。還可以采用恒流式電源供電，適當加大高壓電極與地電極的距離，提高空氣濕度[92]。光學催化劑的使用，如二氧化鈦(TiO2)、三氧化鎢(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副產(chǎn)物的產(chǎn)生[93-95]。

4.2 提高離子風強度

離子風強度的提高，可以提升傳熱系數(shù)和推力的大小。提高離子風強度的方法大致有兩類：一是使用多發(fā)射極并聯(lián)，提高流量；二是增加擴展電極，延長電場線。S. J. Lee等[33]采用集成式針-環(huán)電暈放電陣列結構，并且在高壓電極與地電極之間引入屏蔽層，消除單元射流之間的影響，從而提高了離子風的強度。針-環(huán)電極微型陣列如圖13所示。

圖13 針-環(huán)電極微型陣列[33]Fig.13 Miniature array of needle-ring electrodes[33]

近年來，不少學者通過增加擴展電極來提高離子風強度，如圖14所示，Tirumala等[96]通過增加擴展電極，既可以增加遷移區(qū)的長度，提高離子風的強度，同時可以分擔部分電流，降低了起暈電壓。圖15所示為DBD離子風激勵器通過增加電極數(shù)量來提高離子風強度。圖15a是R. Erfani等[97]向電介質中嵌入第三電極的結構，離子風風速與標準DBD離子風激勵器相比提高了91.2%，功耗卻比標準DBD離子風激勵器低。如圖15b所示，K. Yoshida等[98]采用環(huán)形輔助電極提高DBD產(chǎn)生離子風的強度，與沒有輔助電極時產(chǎn)生的離子風相比，風速從1.6m/s提高到3.7m/s，離子風轉化率提高了30倍。上述研究只是單純地添加電極來強化離子風，而劉文正等[46]采用交直流電極耦合的方法，在直流電極與交流電極之間引入第三電極，并接入直流電源。如圖15c所示，這種結構提高了空間電荷密度，從而提高了離子風的強度。在未來強化離子風的研究中，可以綜合考慮電極的數(shù)目、排列方式和供電方式來提升離子風強度。

圖14 擴展電極強化離子風的裝置示意圖[96]Fig.14 Schematic diagram of device with ion wind strengthened by expanding electrode[96]

圖15 DBD離子風激勵器改進示意圖Fig.15 Schematic diagram of DBD ion wind actuator improvement

4.3 消除帶電粒子的影響

在使用離子風對集成電路的電子元件冷卻時，由于離子風攜帶的帶電粒子在壁面上的沉積，可能會導致絕緣下降，還會對電子設備產(chǎn)生電磁干擾。為了消除帶電粒子的影響，可以采用雙極性電極產(chǎn)生離子風。圖16a是Van T. D.等[99-100]采用雙極性針電極產(chǎn)生中性離子風，這是因為不同極性的帶電粒子自中和，消除離子風的帶電性。雖然這種方式可以消除帶電粒子的影響，但離子風強度較低。因此為了提高雙極性離子風的強度，Wang Ronggang等[101]在兩個針之間加SiO2電介質，在出口設置接地電極環(huán)，圖16b所示裝置產(chǎn)生的離子風強度可以達到普通雙針電極的5倍。

圖16 雙極性離子風激勵器[99-101]Fig.16 Bipolar ion wind actuator[99-101]

4.4 裝置小型化

電子設備微型化的發(fā)展趨勢，限制了其冷卻裝置的體積，因此離子風裝置小型化也成為近年來離子風激勵器的發(fā)展趨勢之一。C. P. Hsu等[6,102]采用硅晶體制備了微型懸臂式電暈放電離子風激勵器冷卻加熱板，電極間距4～5mm，電壓為8.5kV時，溫度降可達25℃，證明了離子風激勵器小型化的可行性。Jewell-Larsen等[103]采用線-板式電極結構，電極間距2～6mm，最大流量可達100L/min。A. O. Ong等[64-65]采用的線-網(wǎng)電極集成式離子風激勵器，電極間距可達到0.5mm，對CPU進行冷卻具有比傳統(tǒng)風扇更好的冷卻效果，如圖17所示。通過減小電極間距，既可以實現(xiàn)離子風激勵器的小型化，又可以在一定程度上提高離子風的強度，但林岑等[104]的不同電極形式的離子風散熱效果實驗表明，通過減小間距提升離子風強度需要綜合考慮電極形式，否則可能導致離子風的應用效果降低。

圖17 線-網(wǎng)電極陣列離子風激勵器[64-65]Fig.17 Wire-mesh electrode array ion wind actuator[64-65]

上述研究都是通過減小電極間距來實現(xiàn)離子風泵的微型化，也可以從供電方式上實現(xiàn)激勵器的小型化。圖18是交流供電的兩種離子風激勵器，圖18a是A. M. Drews等[36]在針-環(huán)電極之間施加交流電產(chǎn)生離子風，實驗結果表明，供電頻率較高時，離子風的強度與電極間距無關。這一研究結果為將來將離子風激勵器作為集成電路的冷卻方式提供了 思路。圖18b所示為V. T. Dau等[105]對雙針電極施加交流電，這種結構沒有地電極，一定程度上減小了激勵器的體積，并且這種雙針結構可產(chǎn)生中性的離子風，消除帶電粒子的影響。電極形狀、材料對離子風是否存在影響也需要進一步研究。

圖18 交流離子風激勵器[36,105]Fig.18 AC ion wind actuator[36,105]

4.5 降低電壓等級

氣體放電所需的高電壓一定程度上提高了離子風的使用條件，因此在盡可能不降低離子風強度的前提下，降低放電電壓等級，對擴大離子風的應用范圍意義重大。目前已有不少學者提出了低壓離子風方案。Tirumala等[96]采用的針—初始電極—擴展電極，可以有效降低起暈電壓。也可采用新型供電單元，如圖19所示，M. J. Johnson等[42,106]使用壓電變壓器為電暈電極產(chǎn)生離子風。壓電晶體既可以作為發(fā)射極也可以作為收集極，作為收集極時，最低電壓可降低至7V，可產(chǎn)生離子風的風速大約為0.3m/s，作為發(fā)射極時，離子風的風速最大可達到0.8m/s。同樣也可以考慮使用熱電或光電變壓器作為供電單元產(chǎn)生離子風。改變供電方式也可以在一定程度上降低電壓等級，如圖20所示，S. Sato等[45]使用多電極DBD結構，并采用DC疊加脈沖驅動的方式，有效降低了離子風驅動電壓。上述研究從電極數(shù)量、電極材料和供電方式等方面降低產(chǎn)生離 子風所需電壓，也可以從電極間距、電極的排列方式等角度降低電壓，但不同電極形式的運行工況不同，需要進一步探究。

圖19 壓電晶體做收集極和發(fā)射極示意圖[42]Fig.19 Schematic diagram of piezoelectric crystal as collector and emitter[42]

圖20 直流疊加脈沖放電多電極DBD離子風激勵器[45]Fig.20 Multi-electrode DBD ion wind actuator under DC and pulse discharge[45]

4.6 防止電極腐蝕

離子風激勵器的電極腐蝕問題直接關系到裝置的使用壽命和維護成本，所以尋找新的電極材料是離子風研究領域的迫切問題之一。現(xiàn)有的離子風激勵器采用的電極大多是不銹鋼、銅電極。當離子風激勵器產(chǎn)生離子風時，電極附近發(fā)生的復雜碰撞電離，會電離出能腐蝕電極的化學物質。防止電極腐蝕一般有兩種方法：①使用抗腐蝕且導電良好的材料，例如C. P. Hsu等[6,99]和C. G. Noll等[107]使用的硅、鍺針電極都具有很好的抗腐蝕性；M. J. Johnson等[16]采用的壓電晶體和劉文正等[43]采用的碳纖維電極也有著較強的抗腐蝕性。②在高壓電極上覆蓋抗腐蝕涂層，Ye Jianchun等[108]在高壓電極上覆蓋TiO2/CNT涂層既可以起到抗腐蝕的作用，同時又提高了離子風的風速。除了上述方法外，也可以采用合金作為電極材料。電極材料摻雜比例、加工方式可作為離子風激勵器電極的優(yōu)化方向之一。

5 展望

總的來說，離子風激勵器在未來的發(fā)展趨勢是低壓、耐用、高效和小型化。對于離子風在未來的研究與應用，本文提出幾點建議：

（1）在之前的研究中，輝光放電產(chǎn)生的離子風風速要高于電暈放電產(chǎn)生的離子風風速，但對電壓控制精度要求較高，因此有必要研究離子風的精準控制策略。例如，集成信號采集數(shù)據(jù)與計算機控制技術，針對具體的工作環(huán)境，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以提高控制精度；同時可以將人工智能技術引入離子風控制的研究，使得控制系統(tǒng)在應用中可以不斷學習周圍工作環(huán)境，提高工作效率。

（2）目前推進器一般工作在低氣壓的高空環(huán)境，未來若要使用離子風作為動力源，就必須開展離子風激勵設備在惡劣環(huán)境下（低氣壓、低溫、潮濕等）的實驗研究，可優(yōu)化電極結構保證離子風強度，以保障設備在實際應用時能正常工作。研發(fā)高功率微型電源，滿足推進器飛行的低質量和高功率要求。

（3）繼續(xù)開展提高離子風強度、降低使用電壓等級的優(yōu)化研究。例如考慮脈沖電源（占空比、頻率）在離子風產(chǎn)生中的作用。

（4）解決離子風激勵器小型化中絕緣和電磁兼容等問題。例如，可以從絕緣材料（無鹵阻燃聚合物）和抑制放電電極相互間的干擾角度入手。

（5）尋找新型電極材料（如石墨烯材料），使得未來的離子風激勵器具有更高的響應速度、效率和耐用性，同時降低了離子風激勵器的維修成本。

（6）優(yōu)化地電極形狀，如網(wǎng)狀電極的網(wǎng)孔大小、形狀，以減小地電極對離子風的束縛作用。

（7）開展等離子體與離子風協(xié)同阻斷細菌和病毒傳播的研究，為離子風消殺應用提供理論參考。

（8）開展離子風在農(nóng)業(yè)和水資源開發(fā)等新領域的應用，例如使用離子風加強二氧化碳、氧氣的輸送，促進農(nóng)作物的增產(chǎn)；通過離子風收集霧水，緩解干旱-半干旱地區(qū)的水資源短缺問題。

6 結論

離子風的研究涉及流體力學、熱力學、環(huán)境科學、航空航天以及能源動力等諸多領域。越來越多的學者加入到離子風的研究隊伍中，極大地促進了離子風與不同領域的交叉融合。本文針對離子風的原理、產(chǎn)生方式、研究方式、應用與改進進行了總結。具體結論如下：

1）離子風的產(chǎn)生方式有三種：電暈放電、介質阻擋放電、輝光放電。其中電暈放電與介質阻擋放電是現(xiàn)階段離子風產(chǎn)生的主要方式。電暈放電可采用直流、交流和脈沖供電，電極結構簡單。采用電暈放電產(chǎn)生離子風時，可通過增加電極的曲率，減小放電間距改進離子風激勵器。介質阻擋放電多數(shù)采用交流和脈沖供電，放電電極間需要絕緣介質。這種方式可通過改變介質材料、供電參數(shù)（頻率、占空比）、電極形狀（蜂窩式）優(yōu)化離子風激勵器。

2）離子風的速度與形態(tài)直接決定了它在不同領域的應用。離子風的實驗測量上存在一定的局限性，但可建立離子風模型實現(xiàn)離子風的流場模擬。可分別求解電離區(qū)與遷移區(qū)的粒子分布，優(yōu)化離子風模型。

3）電極參數(shù)、電壓等級等是影響離子風的主要因素。改進離子風激勵器時，可以根據(jù)應用場景的不同，調整電極結構，確定所需要的電壓等級，選擇合理的供電方式控制電能-風能轉換效率。

4）現(xiàn)階段離子風已經(jīng)被應用在食品干燥、溫度控制、推進、助燃、空氣凈化等領域，并且取得很大進展，但其與大規(guī)模應用還有很大距離。在實驗研究中發(fā)現(xiàn)了離子風激勵器在應用與研究中存在的一些問題，主要是：①氣體放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物；②帶電粒子沉積引起的絕緣問題和電磁兼容問題；③電極腐蝕；④轉換效率低。對于上述問題，作者提出了一些解決方案。例如，不僅可以對宏觀電極結構進行改進提高離子風風速，也可以對微觀電極表面進行處理，既能夠提高電極疏水性，增強抗腐蝕性，又能夠提高離子風風速。

針對離子風在不同領域中的問題，雖然現(xiàn)有學者對離子風激勵器的電極結構、電源類型、發(fā)生方式和電極材料等方面問題提出了一系列改進措施，但這些研究大多是對單一方面的改進，要實現(xiàn)離子風的實際應用還需要深入研究。因此，作者對離子風的未來發(fā)展趨勢進行了展望，為離子風的研究提供了思路。