电极结构对离子风速度与分布影响的仿真研究_卢小龙.pdf

年，第 期 49 收稿日期：基金项目：甘肃省青年科技基金计划（）作者简介：卢小龙（），男，甘肃天水人，博士，高压电场应用技术研究。电极结构对离子风速度与分布影响的仿真研究卢小龙（兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州）摘 要：为研究电极结构对电晕放电产生的离子风速度与分布的影响，基于 软件构建了针网、针板、针环网和针环板等电极结构下电晕放电产生离子风的仿真模型。模拟结果显示：当电压、电极间距、高压电极针曲率等参数相同时，针板结构比针网结构下离子风分布更集中，当在高压电极和地电极之间放置相同的环状屏蔽地电极时，针环板结构与针环网结构下离子风分布相似；对比针板与针网结构，其对称轴线上离子风轴向速度最大值分别约为 和 ，地电极表面离子风径向速度最大值分别约为 和 ；增加环形电极后，两种结构对称轴线上离子风轴向速度最大值比之前分别增加约 和 倍，地电极表面离子风径向速度最大值比之前分别增加约 和 倍。关键词：离子风；电极结构；离子风速度；离子风分布中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；引 言电晕放电产生的离子风及其应用技术越来越受到人们的关注。离子风具有噪声低、功耗小、响应速度快以及不需要机械运动部件等优点。离子风技术在空气净化、除尘、干燥、散热、电推进、助燃等众多领域都具有重要的应用价值。电晕放电产生离子风的装置的基本结构如图所示，一般由高压电极和地电极组成。高压电极节能环保DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.001 50 具有较大曲率，一般为线型或针型几何形状；地电极一般为板型或网型几何形状。高压电极周围电场强度高，电极附近存在的自由电子会被电场加速，加速的自由电子碰撞电极附近气体使气体电离，在高压电极附近很小的区域内形成电晕区。电晕区正离子在电场的作用下向地电极运动，在运动过程中正离子与气体分子碰撞而传递动量，形成气体流场，即“离子风”。图 电晕放电产生离子风装置基本结构示意图离子风速度和分布是离子风应用技术研究的基础数据，对离子风技术在各领域中的应用都具有重要的支持作用。针对特定电极结构中电晕放电产生的离子风的特性的相关研究文献较多，然而，对比研究不同电极结构对电晕放电产生离子风速度和分布的影响的数据依然缺乏。本文基于 软件，构建了针网、针板、针环网、针环板四种电极结构下电晕放电产生离子风的仿真模型，对比了不同结构下离子风的速度和分布数据，分析了相互关系并给出了结论。构建仿真模型 几何模型与网格划分如图 所示，设计的电晕放电产生离子风装置由发射极、收集极、支撑骨架和绝缘屏蔽壳等组成。螺纹配合以方便调节发射极与收集极之间的距离，金属材料制成的收集极安装座可安装平板型、网状型、圆环状型等不同的收集极，发射极采用针型金属材料制作，发射极数量、发射极之间间距均可调节。支撑骨架和绝缘屏蔽壳采用有机玻璃材料制作，顶部与底部开通气孔，整个装置模型的最大直径为，高。通过 软件建立该装置的仿真模型。为了计算方便，将图 所示模型简化成二维缩小模型，并取二分之一对称结构，如图 所示，其中 是发射极电晕半径，是发射极和收集极之间的距离，模拟区域高 ，半径；模拟区域共划分为 个网格。图 高压电场干燥装置模型结构图图 高压电场干燥装置二维简化模型示意图及网格划分节能环保 年，第 期 51 控制方程与边界条件图 是电晕放电产生离子风装置的仿真模型简化结构示意图，其控制方程和边界条件设置如下：发射极施加一定数值的高电压 后产生电晕，假设区域内空间电荷密度为，形成电场强度为，由泊松定理给出：（）（）式中：和分别是真空介电常数和空气介电常数。空气被电离形成的正离子向收集极方向运动形成电流，且满足电流密度连续性方程，忽略由于空气流动和离子密度分布梯度导致的电流成分，在电场作用主导下，其表达式为：（）（）式中：是空气中离子迁移率，取值 （），为空间电荷密度，。由高压电场驱动产生的空气流动可以看做不可压缩流体，满足 方程和连续性方程，其控制方程为：（）（）式中：是空气密度，取值 ；是空气流速矢量，；是空气压强，；是空气粘滞系数，（）；为空间电荷密度，；是电场强度，。图 仿真模型简化结构示意图图 中，发射极、收集极、屏蔽壳给定电压值，设定为 边界条件，气流入口、出口、对称轴等空气边界设定为 边界条件。发射极半径采用电晕边界半径，一般取发射极针尖实际半径的 倍。建模时，发射极实际半径取，电晕层边界半径取 ，发射极与收集极间距取 ，发射极高压为 。电晕边界半径由 半经验方程确定，其表达式为：|（）式中：是起晕电场强度，；是电晕边界半径。结果与讨论 离子风分布图 图 分别展示了不同电极结构下离子风分布。从图 中可以看出，在针板电极结构下，离子风从发射极电晕区域开始，在针板极间的电场作用下，沿轴向指向地电极运动；到达地电极表面上方约 附近位置，离子风速度急速减小，方向改变为沿板面径向运动；在器壁阻挡下，离子风分为沿轴向向上和向下运动两部分，并形成旋涡后从出口处流出。从图 中可以看出，在针网电极结构下，离子风能够穿过网孔从出口流出，离子风到达地电极上表面附近时，流速迅速减小，在网孔内离子风速度会明显增大，形成多股离子风分布现象。从图 和图 中可以看出，在针板、针网结构下，增加环形电极并接地，则会出现明显的离子风增强现象，在针环网结构下，离子风沿轴线垂直穿过网孔，并垂直流出出口，多股离子风分布现象明显减弱。图 针板结构下离子风分布节能环保 52 图 针网结构下离子风分布图 针环板结构下离子风分布 离子风速度图 是不同结构下，沿对称轴离子风轴向速度大小分布。从图中可以看出，在发射极和地电极（板或网）之间是离子风速度集中分布区域，其中，针板、针网、针环板、针环网等四种结构下，对应离子风速度最大值分别约为 、图 针环网结构下离子风分布 、；在发射极和地电极之间增加环形接地电极后，离子风速度明显增强，其值比没有环形接地电极时分别增加了约 和 倍。图 沿对称轴离子风轴向速度大小分布图 是不同结构下，距收集极上方 处沿半径 方向离子风径向速度大小分布。从图中可以看出，针板、针环板结构下，径向离子风速度大小呈现出从圆心到边界，其值先增大后减小的分布现象，在半径约为 处，其最大值分别约为 和 ；针网、针环网结构下，径向离子风速度大小呈现出从圆心到边界其值波浪式分布，这种分布形状与网孔相对应，在发射极正下方网孔处，离子风速度节能环保 年，第 期 53 有最大值，其最大值分别约为 和 ，相邻网孔处其值次之。结果表明，增加环形接地电极后，收集极上方约 处，针环板、针环网结构下，其径向离子风速度大小分别约是没有环形接地电极时的 和 倍。图 沿收集极表面离子风径向速度大小分布从仿真结果数据可知，在发射极和地电极之间增加环形接地电极，可以在不增加电压，改变其他参数的条件下，能够显著增加离子风速度，其中，针环板结构下的地电极表面离子风轴向速度大于针环网结构下的速度，针环板结构下地电极边缘表面离子风径向速度大，针环网结构下地电极中心位置离子风径向速度大。因此，在设计电晕放电产生离子风装置时，针环网结构可作为优先可选项。结 论（）比较针板与针网两种电极结构产生的离子风可知，针板电极结构下产生的离子风分布更加集中，在平板状地电极边缘有明显的涡流，且电极边缘表面风速明显强于中心位置表面风速；针网电极结构下产生的离子风分布比较疏散，离子风穿过网孔成多股状，在网状地电极的中心孔之间离子风有明显增强。当增加环状电极后，针环板电极结构和针环网电极结构下，离子风均分布集中，平板状地电极表面风速和网状地电极中心网孔间风速均有明显增强。（）在设定的仿真参数情况，针板、针网结构下，对称轴线上离子风轴向速度最大值分别约为 和 ，地电极表面离子风径向速度最大值分别约为 和 ；增加环形电极后，对称轴线上离子风轴向速度最大值比之前分别增加了约 和 倍，地电极表面离子风径向速度最大值分别增加了约 和 倍。参考文献：张 明，李丁晨，李传，等 离子风的应用研究进展 电工技术学报，（）：连秀云，缪劲松，杨冰彦，等 双极电晕放电及其在空气净化中的应用 南昌大学学报（理科版），（）：朱 林，刘树林，刘柏清，等 离子风静电除尘器集尘效率数值仿真研究 能源与环保，（）：罗权权，李保国，许子雄 高压电场组合干燥技术的研究进展 能源工程，（）：王长宏，蔡坚锋 离子风强化散热技术研究进展 科学技术与工程，（）：欧阳芳相，陈赦，许冬冬，等 离子风飞机推进电极阵列的推力影响因素 中国电机工程学报，（）：房建峰，吴筱敏，赵海军 电场极性对甲烷 空气混合气燃烧特性的影响 汽车工程，（）：，：，：闫东杰，贡浩，张子昂，等 芒刺线板式电除尘器内离子风特性研究 中国电机工程学报，（）：张 立，杨兰均，喻梦晗，等 均匀电场和极不均匀电场对水蒸发的影响 电工技术学报，（）：李 庆，侯雪超，张文婷，等 电极结构对离子风流场影响的数值模拟 高电压技术，（）：车 瑞，孙 明 基于有限元法的气体放电模拟综述 电气技术，（）：计算流体力学基础及其应用 北京：机械工业出版社，（），（责任编辑 杨启岳）节能环保