离子风技术应用前景光明,科学家提出改进措施,推动其进一步发展
离子风是气体放电产生的高能电子推动中性粒子运动 , 从而在宏观上表现为流体的一种现象 。 由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点 , 在过去的数十年中 , 离子风的研究和应用取得了很大发展 。
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离子风的流动特点、携带带电粒子等属性 , 决定了其在不同领域的广泛应用 。 例如在食品干燥领域 , 离子风可以加速食物表面水分的蒸发 , 从而延长食品的保存时间;在温度控制领域 , 利用离子风的流体性质可以带走周围的热量 , 从而强化电子设备和元器件的空气对流散热;在推进领域 , 离子风可以控制边界层流体 , 抑制机翼气流分离 , 从而降低飞行时的空气阻力 , 提升飞行器的升力;在助燃领域 , 离子风可以带入放电过程中产生的活性粒子 , 促进燃料燃烧 , 提高燃烧效率;在空气净化领域 , 离子风所携带的电粒子与空气中的颗粒和微生物充分混合后 , 可凝聚颗粒 , 杀死微生物 。
离子风所具有的独特优点使其的应用范围非常广泛 , 应用前景光明 。 离子风在很多领域还在实验阶段 , 并且一些关键问题还有待解决 。 离子风产生的方式主要有电晕放电和表面介质阻挡放电(SurfaceDielectricBarrierDischarge,SDBD) 。
基于电晕放电和SDBD的离子风发生装置都是带电粒子在电场作用下与空气分子发生碰撞 , 进行动量交换从而产生离子风 。 针对离子风在各个领域中存在的问题 , 国内外学者已经对离子风激励器提出了一些改进策略 , 以求在各领域内最大化离子风的作用效果 。
1抑制有害副产物产生
气体放电产生的副产物会引起食品在一定程度上的变质 , 并且在空气净化过程中 , 若副产物得不到有效抑制 , 会造成二次污染 。 为了抑制副产物的影响 , 可以在离子风激励器上安装紫外线照射器 , 抑制臭氧的产生 。 还可以采用恒流式电源供电 , 适当加大高压电极与地电极的距离 , 提高空气湿度 。 光学催化剂的使用 , 如二氧化钛(TiO2)、三氧化钨(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副产物的产生 。
?2提高离子风强度
离子风强度的提高 , 可以提升传热系数和推力的大小 。 提高离子风强度的方法大致有两类:一是使用多发射极并联 , 提高流量;二是增加扩展电极 , 延长电场线 。 S.J.Lee等采用集成式针-环电晕放电阵列结构 , 并且在高压电极与地电极之间引入屏蔽层 , 消除单元射流之间的影响 , 从而提高了离子风的强度 。 针-环电极微型阵列如图1所示 。
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图1针-环电极微型阵列
近年来 , 不少学者通过增加扩展电极来提高离子风强度 , 如图2所示 , Tirumala等通过增加扩展电极 , 既可以增加迁移区的长度 , 提高离子风的强度 , 同时可以分担部分电流 , 降低了起晕电压 。
图3所示为DBD离子风激励器通过增加电极数量来提高离子风强度 。 图3a是R.Erfani等向电介质中嵌入第三电极的结构 , 离子风风速与标准DBD离子风激励器相比提高了91.2% , 功耗却比标准DBD离子风激励器低 。 如图3b所示 , K.Yoshida等采用环形辅助电极提高DBD产生离子风的强度 , 与没有辅助电极时产生的离子风相比 , 风速从1.6m/s提高到3.7m/s , 离子风转化率提高了30倍 。
上述研究只是单纯地添加电极来强化离子风 , 而刘文正等采用交直流电极耦合的方法 , 在直流电极与交流电极之间引入第三电极 , 并接入直流电源 。 如图3c所示 , 这种结构提高了空间电荷密度 , 从而提高了离子风的强度 。 在未来强化离子风的研究中 , 可以综合考虑电极的数目、排列方式和供电方式来提升离子风的强度 。
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