- 頭條華中科技大學科研人員發表離子風應用新進展的研究綜述2022-02-27 作者：張明、李丁晨 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語離子風又稱“電流體（EHD）”，是氣體放電產生的高能電子推動中性粒子運動，從而在宏觀上表現為流體的一種現象。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點，在過去的數十年中，離子風的研究和應用取得了很大發展。 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）、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合實驗室的研究人員張明、李丁晨、李傳、李家瑋、楊勇，在2021年第13期《電工技術學報》上撰文，主要從實際應用和激勵器結構改進兩個方面，總結和分析近年來離子風的研究結果。離子風的實際應用主要集中在食品干燥、溫度控制、推進、助燃、空氣凈化等諸多領域，并對各領域存在的問題提出了解決方案。離子風激勵器結構的改進主要解決了離子風在以上應用領域所存在的放電副產物、離子風強度低、帶電粒子的影響、占用空間大和電極腐蝕等問題。最后，對離子風的未來研究做出了展望，為離子風的研究提供了思路。
氣體在高電壓的作用下發生碰撞電離產生帶電粒子，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，在宏觀上表現為流體運動，稱為“離子風”，也叫“電流體（Electrohy Drodynamic, EHD）”或“電暈風”。離子風是由Hauksbee在18世紀首先發現的。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，其應用領域也得到了不斷拓展。離子風在實際應用和改進方面的研究熱點如圖1所示。
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，從而延長食品保存時間；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；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；在助燃領域，離子風可以帶入放電過程中產生的活性粒子，促進燃料燃燒，提高燃燒效率；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。
離子風的研究涉及流體力學、熱力學、環境科學、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。華中科技大學科研團隊針對離子風的原理、產生方式、研究方式、應用與改進進行了總結。
圖1 離子風的研究熱點
他們的具體結論如下：
1）離子風的產生方式有三種：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階段離子風產生的主要方式。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（頻率、占空比）、電極形狀（蜂窩式）優化離子風激勵器。
2）離子風的速度與形態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離子風的流場模擬。可分別求解電離區與遷移區的粒子分布，優化離子風模型。
3）電極參數、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）現階段離子風已經被應用在食品干燥、溫度控制、推進、助燃、空氣凈化等領域，并且取得很大進展，但其與大規模應用還有很大距離。在實驗研究中發現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氣體放電產生的副產物；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，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，雖然現有學者對離子風激勵器的電極結構、電源類型、發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，要實現離子風的實際應用還需要深入研究。
科研人員認為，離子風激勵器在未來的發展趨勢是低壓、耐用、高效和小型化。對于離子風在未來的研究與應用，他們提出了幾點建議：
（1）在之前的研究中，輝光放電產生的離子風風速要高于電暈放電產生的離子風風速，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，集成信號采集數據與計算機控制技術，針對具體的工作環境，實現閉環控制，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，使得控制系統在應用中可以不斷學習周圍工作環境，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境下（低氣壓、低溫、潮濕等）的實驗研究，可優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）繼續開展提高離子風強度、降低使用電壓等級的優化研究。例如考慮脈沖電源（占空比、頻率）在離子風產生中的作用。
（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）優化地電極形狀，如網狀電極的網孔大小、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）開展離子風在農業和水資源開發等新領域的應用，例如使用離子風加強二氧化碳、氧氣的輸送，促進農作物的增產；通過離子風收集霧水，緩解干旱-半干旱地區的水資源短缺問題。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“離子風的應用研究進展”，作者為張明、李丁晨 等。
