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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(yùn)動，稱為“離子風(fēng)”，也叫“電流體（Electrohy Drodynamic, EHD）”或“電暈風(fēng)”。離子風(fēng)是由Hauksbee在18世紀(jì)首先發(fā)現(xiàn)的。由于離子風(fēng)具有低噪聲、低功耗、響應(yīng)速度快和無機(jī)械運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，離子風(fēng)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

隨著對離子風(fēng)研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了不斷拓展。離子風(fēng)在實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)方面的研究熱點(diǎn)如圖1所示。

例如在食品干燥領(lǐng)域，離子風(fēng)可以加速食物表面水分的蒸發(fā)，從而延長食品保存時間；在溫度控制領(lǐng)域，利用離子風(fēng)的流體性質(zhì)可以帶走周圍的熱量，從而強(qiáng)化電子設(shè)備和元器件的空氣對流散熱；在推進(jìn)領(lǐng)域，離子風(fēng)可以控制邊界層流體，抑制機(jī)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；在助燃領(lǐng)域，離子風(fēng)可以帶入放電過程中產(chǎn)生的活性粒子，促進(jìn)燃料燃燒，提高燃燒效率；在空氣凈化領(lǐng)域，離子風(fēng)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。

離子風(fēng)的研究涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、環(huán)境科學(xué)、航空航天以及能源動力等諸多領(lǐng)域。越來越多的學(xué)者加入到離子風(fēng)的研究隊(duì)伍中，極大地促進(jìn)了離子風(fēng)與不同領(lǐng)域的交叉融合。華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)針對離子風(fēng)的原理、產(chǎn)生方式、研究方式、應(yīng)用與改進(jìn)進(jìn)行了總結(jié)。

圖1 離子風(fēng)的研究熱點(diǎn)

他們的具體結(jié)論如下：

1）離子風(fēng)的產(chǎn)生方式有三種：電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、輝光放電。其中電暈放電與介質(zhì)阻擋放電是現(xiàn)階段離子風(fēng)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(jié)構(gòu)簡單。采用電暈放電產(chǎn)生離子風(fēng)時，可通過增加電極的曲率，減小放電間距改進(jìn)離子風(fēng)激勵器。介質(zhì)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(zhì)。這種方式可通過改變介質(zhì)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(fēng)激勵器。

2）離子風(fēng)的速度與形態(tài)直接決定了它在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。離子風(fēng)的實(shí)驗(yàn)測量上存在一定的局限性，但可建立離子風(fēng)模型實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)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(fēng)模型。

3）電極參數(shù)、電壓等級等是影響離子風(fēng)的主要因素。改進(jìn)離子風(fēng)激勵器時，可以根據(jù)應(yīng)用場景的不同，調(diào)整電極結(jié)構(gòu)，確定所需要的電壓等級，選擇合理的供電方式控制電能-風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

4）現(xiàn)階段離子風(fēng)已經(jīng)被應(yīng)用在食品干燥、溫度控制、推進(jìn)、助燃、空氣凈化等領(lǐng)域，并且取得很大進(jìn)展，但其與大規(guī)模應(yīng)用還有很大距離。在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了離子風(fēng)激勵器在應(yīng)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(zhuǎn)換效率低。

對于上述問題，科研人員提出了一些解決方案。例如，不僅可以對宏觀電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)提高離子風(fēng)風(fēng)速，也可以對微觀電極表面進(jìn)行處理，既能夠提高電極疏水性，增強(qiáng)抗腐蝕性，又能夠提高離子風(fēng)風(fēng)速。

針對離子風(fēng)在不同領(lǐng)域中的問題，雖然現(xiàn)有學(xué)者對離子風(fēng)激勵器的電極結(jié)構(gòu)、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(jìn)措施，但這些研究大多是對單一方面的改進(jìn)，要實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)的實(shí)際應(yīng)用還需要深入研究。

科研人員認(rèn)為，離子風(fēng)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(fēng)在未來的研究與應(yīng)用，他們提出了幾點(diǎn)建議：

（1）在之前的研究中，輝光放電產(chǎn)生的離子風(fēng)風(fēng)速要高于電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)風(fēng)速，但對電壓控制精度要求較高，因此有必要研究離子風(fēng)的精準(zhǔn)控制策略。例如，集成信號采集數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，針對具體的工作環(huán)境，實(shí)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(shù)引入離子風(fēng)控制的研究，使得控制系統(tǒng)在應(yīng)用中可以不斷學(xué)習(xí)周圍工作環(huán)境，提高工作效率。

（2）目前推進(jìn)器一般工作在低氣壓的高空環(huán)境，未來若要使用離子風(fēng)作為動力源，就必須開展離子風(fēng)激勵設(shè)備在惡劣環(huán)境下（低氣壓、低溫、潮濕等）的實(shí)驗(yàn)研究，可優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)保證離子風(fēng)強(qiáng)度，以保障設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時能正常工作。研發(fā)高功率微型電源，滿足推進(jìn)器飛行的低質(zhì)量和高功率要求。

（3）繼續(xù)開展提高離子風(fēng)強(qiáng)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(fēng)產(chǎn)生中的作用。

（4）解決離子風(fēng)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(fēng)激勵器具有更高的響應(yīng)速度、效率和耐用性，同時降低了離子風(fēng)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(fēng)的束縛作用。

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

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

以上研究成果發(fā)表在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“離子風(fēng)的應(yīng)用研究進(jìn)展”，作者為張明、李丁晨 等。