电流体动力学应用进展

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摘 要：电流体动力学具有巨大的潜在价值和广阔的应用前景。回顾了电流体动力学的发展历程，对电流体动力学在电流体泵、电流体干燥、蒸发和电喷雾三方面的应用展开评述，尤其是从基本方程和建模两方面详细介绍了电喷雾中的电晕荷电，最后对电流体动力学的发展提出了展望。

关键词：电流体动力学；电喷雾；电流体泵；电晕荷电；有限元

中图分类号：O361.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-8412 （2016） 05-1047-05

工业技术创新 URL： http：// DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.060

Abstract： Electrohydrodynamics （EHD） has a huge potential value and a wide application prospect. The development history of EHD is retrospected. Applications of EHD， such as valveless piezo electric pump， drying and evaporation of current body， and electrospray， are reviewed. Corona charging in electrospray is especially introduced in detail from fundamental equations and modeling. At last， the development of EHD is forecasted.

Key words： Electrohydrodynamics （EHD）； Electrospray； Valveless Piezoelectric Pump； Corona Charging； Finite Element Method

引言

電流体动力学，顾名思义就是在电场作用下的流体力学问题。电荷借助电极，通过分子极化以及电解质电离等方式进入流体，这一过程称为荷电。流体中的微粒被荷电后，在受到外界电场力作用的同时，还受到流体介质内部表面张力、粘性力、惯性力的影响，使流体流动过程十分复杂。从中产生的许多新现象具有广阔的应用前景，引起了科学界的广泛关注。

本文分析了电喷雾荷电的机理、应用及建模。

1 电流体动力学发展回顾

1629年，尼科洛·卡贝奥第一次观察并记录了电流体动力学现象，他注意到锯屑会被带电体吸引，两者触碰后会发生排斥现象[1]。然而，他并没有意识到这就是一种典型的电流体动力学现象。1709年，弗朗西斯·豪克斯比注意并记录到，当人体靠近一个带电细管时会感受到微风吹动，这次经历是被公认的电流体动力学现象的首次发现。牛顿深入研究了豪克斯比的发现，将其命名为电风，并沿用了几个世纪[2]，但是目前离子风这一名称更为常用。威尔逊制造了离子风，并利用其驱动纸风车快速旋转[3]。当时，电流体动力学现象虽然能够被观察到，但是科学家们缺乏充分解释此现象的知识与技术。卡瓦罗给出了该现象的第一个定性理论，精确描述了离子风是一种飞行运动[4]。

数十年后，法拉第发表了关于电风的注释，电流体动力学研究取得了巨大进展[5]。法拉第把离子风描述为一种动量转移的过程，这一过程是由电离与未电离的空气粒子之间发生碰撞或摩擦而引起的。

在第一次观察到电流体动力学现象的250年后，麦克斯韦完成了离子风原理的第一次定量分析。麦克斯韦高度重视气体放电的研究，尽管当时甚至缺乏能够应用在气体电子学上的基本数学处理模型。麦克斯韦的分析在当时最为完备，在现在依然正确，也为将来的研究提供了基石。随着电流体动力学的发展，它在生产生活中的应用也越来越广泛。

2 电流体动力学应用领域

2.1 电流体泵

通过电场力对流体介质的电荷作用驱动流体流动的泵，称为电流体泵。电流体泵主要分为气体动力泵和液体动力泵。气体动力泵应用于干燥精密机械散热等方面，而液体动力泵应用于微电机系统、药物输送，以及微冷却等。

1960年，罗宾逊和斯塔特勒首次提出了利用离子风设计静电风机[6， 7]。在对离子风的研究中，研究人员发现形状相同的电极的检测结果是一致的。通过测试针—环电极，罗宾逊估算出电晕放电时，能量从电能转换到机械能的效率不到1%，显然不能满足生产生活应用。然而，电流体泵相较于传统的机械泵有几个明显优势，其中最主要的就是电流体泵没有运动部件。因此，电流体泵不涉及机械振动，没有磨损，没有润滑需求，而且在操作期间几乎没有声音。

针对电流体泵能量转换效率过低这一主要问题，一些科学家提出了改进方法。至今人们仍然致力于该项研究，但是由于每个研究人员测量流体速度和计算转换效率的方法和装置都不同，因此实验结果并不具有直接可比性。2008年，莫罗和陶查德针对提高针—环电极和针—网电极模式下转换效率的研究表明，正电晕通常能够产生更高的风速，最大可达8 m/s，负电晕产生的最大风速也可达5 m/s[8]，彻底解决了转换效率太低的问题。目前公众虽然已经了解电流体泵的许多性能特性，但是这些特性与电极物理尺度之间的关系还有待继续探索。

2.2 电流体干燥及蒸发

1958年，克鲁格与他的同事在研究离子风对微生物的危害时发现，在洁净的空气中，离子风能够加快液滴蒸发速率[9]。30年后，科学家发现离子风能够加强热传导效果，并且无论是负离子风还是正离子风，都能够加快液滴的蒸发速率。除此之外，离子风还能够提高薄层液体、海水以及土壤中水分的蒸发率[10-12]。不久以后，人们又发现离子风也可显著提高土豆片的脱水率，引起了农业和能源产业的注意[13]。

在过去的数十年里，人们着重研究的是电流体对水的蒸发速率的影响，他们发现电流体干燥相较于传统干燥方式更简单、更有效率，引发了许多研究人员探索电流体干燥在特定工业领域应用可行性的欲望。在食品加工中，最快速的食品干燥方法是利用高能耗的烤箱，但却造成了能源价格飞涨，因此拓展高效节能的新干燥方式势在必行，而且越来越多的研究表明，利用电流体干燥食物对食物营养元素的保留十分有利。而电流体干燥引起能源产业的注意，则是因为人们发现其能够提高菜籽油品质，意味其能够成为品质更高且价格更低廉的生物燃料[14]，然而这一理想距离应用到实际生产还有很长一段路要走。

2.3 电喷雾

电喷雾技术主要依靠的原理是电流体动力学的一个重要分支——电雾化。电雾化是静电库仑力克服液体表面张力，导致液体破碎成细小雾滴的过程[15]。由多种物质或组分组成的混合物流动称为多相流动，其中物理化学性质或力学性质相同的组分称为一组。若多相混合物的某相带有静电荷的流动，则称为荷电多相流[16]。电喷雾是荷电的气液两相流动，其探究也主要是基于电喷雾荷电气液两相流特性。电喷雾的应用十分广泛，例如电喷雾电离、电喷雾质谱、电喷雾除尘、电喷雾喷涂、电喷雾农药喷洒等。

博斯于18世纪中期最早提出静电液滴雾化现象。随后，英国的瑞利于19世纪末对静电液滴雾化理论及雾化过程进行了研究，得出液滴破裂的条件。1917年，泽莱尼开展了电喷雾定量研究[17]。1968年，泰勒计算出毛细管出口处圆锥液面的理论半锥角为49.3°，并由此被命名为泰勒锥[18]。此后，针对泰勒锥模型的研究从未停止，并取得了巨大进步。针对液滴的抛射频率、液滴直径，以及工作电压、液体流量、液体电导率对于电雾化的影响，也都有较为明确的研究成果[19]。1992年，费尔南德斯研究了电雾化的雾场对泰勒锥锥角的影响[20]。

2.3.1 电喷雾荷电机理

金属导电是由于金属内有可自由移动的电子，而液体导电是由于液体内部有可自由移动的离子。一般情况下，液体内部的这些离子是由电解质的电离产生的，也有因离子注入而产生的离子。虽然公众对液體导电性已经有了深的认识，但对液体带电的机理则不然。此项研究始于1890年埃尔斯特和盖特尔在阿尔卑斯山的瀑布中观察到伴有静电火花的带电雾滴[21]。

液体带电的机理与液体分子结构息息相关[22]。在人们的普遍认识中，液体并不带电，这是由于一般情况下，液体物质任一部分中包含的电子总数与质子总数持平，从而不表现出带电。然而，液体在外力的作用下会得到或者失去一部分电子，使得液体表现出带电，且一般分为两种情况：一是由于液体本身流动、蒸发、分裂，而形成自然电荷；二是由于利用离子源、电源等使其强制带电，而产生强制电荷。

在液相接触气相或固相的交界面时，液体中离子的存在导致形成偶电层。偶电层中固体表面的离子层为固定电荷层，处于液体中的异号离子层为扩散电荷层。当液体流动时，偶电层的平衡被破坏，导致液体带电，这就是自然电荷的产生原理，如图1所示。

强制电荷的产生则分为很多情况：浸润电极荷电（直接荷电）、紫外线/X射线等电磁波荷电、感应荷电、电晕荷电。直接荷电法是在喷雾头上直接接通电极使其荷电；电磁波荷电利用紫外线/X射线等高能电磁波照射液体中的金属电极，使电子得以释放，再将其注入液体而使之带电；感应荷电是在距离喷嘴一段距离处放置一环形电极，并保证雾滴通过电极时，雾滴与电极之间有足够的距离保证避免击穿现象[23-25]，且环形电极上接通高电压，使得喷嘴与液面之间形成很厚的电偶层，当雾滴经过此处时，将携带电偶层的电荷；电晕荷电[26，27]是在喷嘴前端放置尖端电极接通高电压，产生电晕场，由于其中充斥着大量的自由电子，当雾滴经过时，通过惯性碰撞作用及扩散作用使自由电子附于其上，从而荷电。液滴带电基本模式主要有如图2所示的几种。

2.3.2 电喷雾荷电的发展——以电晕荷电基本方程及建模为例

（1）电晕荷电基本方程

电晕放电现象由于涉及流体，物理机理非常复杂，至今也未被完全理解。尽管如此，可以通过设置适当的边界条件，将数学问题得以简化。联合高斯定律，满足泊松方程的电势V可以用来描述电场强度E，即

（1）

（2）

其中，ρ——空间电荷密度，ε0——液体的介电常数，V——发射电极的电势。

考虑到电流的连续性条件，电流密度j可表示为

·j=0 （3）

其中，j来源于三个参数的组合：①电场作用下离子的移动；②流体流动作用下借助分子发生的电荷运输；③漫射作用。故j也可表示为

j=（μερE+ρU-D ρ）（4）

其中，µε——离子迁移率，D——离子扩散系数，U——流体流动流速。

利用纳维—斯托克斯方程

（5）

作为流体动力学方程，其中，ρ——流体密度，p——压强，µ——流体动态粘滞度。

如果流体流动是不可压缩的并且密度恒定，那么连续性方程为

·U=0 （6）

在给定合适的边界条件下，式（1）～式（6）可以应用其所针对的数学问题得出一个适宜的解，这也就意味着在利用电晕荷电时，可以通过控制参数的变化而对发电过程进行掌控，摆脱了发电过程的不稳定性。在任何几何坐标系下，电压V都是两个或两个以上坐标的函数，因此利用数学方法解决上述问题十分困难[28]。因此，迫切需要开发和使用数值技术进行计算，因此促进了电流体动力学的相关研究。随着计算机技术的巨大发展，满足了数值方法所需的计算能力，因此最近电流体动力学的研究再次汹涌澎湃。

（2）电晕荷电建模

很明显，解出式（1）～式（6）的前提是数学领域的突破性进展，于是一些工程师和科学家探索了各种方法计算电场相关现象。其中有限元的提出重燃了电流体动力学研究的希望，科学家们很快意识到，通过相对简单的有限元计算可以得到令人满意的结果。有限元法把不规则域内无法解决的问题离散为大量三角元，形成一个网状子域，单独解决偏微分方程子域后再进行叠加，可求出近似解。在要求精准度的网格处可以划分更细，而在其他位置稀疏一些。然而，在高精确度的要求下，有限元线性代数方程阶数会很高，即使是非常小规模的系统，尤其是当电极半径非常小的情况下，也不例外。

在早期，人们曾经尝试计算1 min内电晕放电的数据，发现即使是单一区域内的问题也十分复杂。虽然在一些实际情况下可以利用物理结构的对称性，仅计算四分之一区域，但即便如此，问题复杂度也远超当时的计算能力，即使是最基本的几何模型的计算，都需要计算机拥有巨大的处理能力，这对于当时来说是根本不可能实现的，尤其当配置电极只有非常小的曲率时，计算非常耗时。数年后，若网格只是由几百个单元组成，可在1 h左右完成一个简单二维几何结构的仿真。与过去相比，近几年有了显著改善，在二维条件下，仅需数分钟的时间就可完成由数百上千个网格组成结构的物理场计算。

随着计算机处理能力的提高，科学家们着力于开发更为复杂的算法，以模拟空间中更为复杂的电场，以及电晕放电产生的流动现象。莫罗完成了电晕放电的第一个算法，他设法分析时域内电晕放电的整个过程。接下来的几年里，不断有学者改进该算法，但是它们极其复杂，而且对计算处理能力提出了更高要求。多数算法使用的是多个数值方法，例如边界元法、特征线法、有限差分法、有限体积方法和有限元法的组合。

事实上，也存在一些借助计算流体动力学软件进行求解的数值模型。然而，基于数值模拟软件的有限元法一直是最受青睐的，因为它已被证实是自21世纪以来最具普遍性的电磁建模方法。2007年以来，电晕放电建模呈爆炸式增长，特别是电极曲率半径可以达到很小，使得电晕放电模型可以很好地被空间离散化。然而，目前关于离子风和电流体动力学的大多数研究都只是基于一些特殊情况的模拟，而没有一个通用的解决方案。

3 结束语

电流体动力学在许多领域都拥有十分广阔的应用前景，发展迅速。电流体动力学在各大商业领域，例如食品加工、制药和电子行业等也有实际应用。电流体动力学广泛的实用性以及巨大的经济效益吸引了许多研究人员的注意，而目前其发展的主要问题局限于理论和应用两方面。

由于在电流体动力学研究中需要考虑到流体力学、电学、物理、化学等多学科的综合影响，所以很多原理性问题并不具有完备的理論，尤其是电荷在电流体中的运动规律，以及电场力作用下表面张力、惯性力、电磁力所受的影响等方面。虽然科学家针对电流体动力学的应用提出了许多模型，例如电流体风力发电、电雾化制备纳米材料、电流体泵等，但是目前都仅处于实验室阶段，距离应用于实际生产生活中还有很长一段路要走。

电流体动力学研究意义重大，其国际研究成果比比皆是，但国内的研究仍十分有限。随着科技与经济的发展，电流体动力学必将做出巨大贡献。

参考文献

CABEO N.PhilosophiaMagnetica [M]. Cologne， Germany： FrancescoSuzzi， Ferrara， 1629.

NEWTON I. Optics [M]. London， U.K.： Printed for Sam. Smith， and Benj.Walford， Printers to the Royal Society， 1718.

WILSON B. Treatise on Electricity [M]. Washington， DC， USA： C.Corbet，1750.

CAVALLO T.A Complete Treatise of Electricity [M]. London， U.K.：Edward，1777.

FARADAY M. Experimental Researches in Electricity [M]. Carlsbad， CA， USA： Faraday， 1834.

ROBINSON M. Movement of Air in the Electric Wind of the CoronaDischarge [M]. Somerville， NJ， USA： Hamon Research-Cottrell， 1960.

STUETZER O M. Ion Drag Pumps[J]. Journal of Applied Physics， 1960， 31（1）：136-146.

MOREAU E， TOUCHARD G. Enhancing the mechanical efficiency of electric wind in corona discharges [J]. Journal of Electrostatics， 2008， 66（1）：39–44.

KRUEGER A P， HICKS W W， BECKETT J C. Effects of unipolar air ions on microorganisms and on evaporation [J]. Journal of the Franklin Institute， 1958， 266（1）：9-19.

BARTHAKUR N N， BHARTENDU S. Enhancement of evaporation rates from thin layers of liquids exposed to air ions [J]. International Journal of Biometeorology， 1988， 32（3）：163-167.

BARTHAKUR N N. AN ELECTROSTATIC METHOD OF DRYING SALINE WATER [J]. Drying Technology， 1989， 7（3）： 503-521.

BARTHAKUR N N， AL-KANANI T. An electrohydrodynamic technique for removal of moisture from soil samples [J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis， 1990， 21（7）：649-665.

CHEN Y H， BARTHAKUR N N. Potato slab dehydration by air ions from corona discharge[J]. International Journal of Biometeorology， 1991， 35（2）：67-70.

BASIRY M， ESEHAGHBEYGI A. Electrohydrodynamic （EHD） drying of rapeseed （Brassica napus， L.）[J]. Journal of Electrostatics， 2010， 68（4）：360-363.

陳效鹏， 程久生， 尹协振. 电流体动力学研究进展及其应用[J]. 科学通报， 2003， 48（7）： 637-646.

罗惕乾. 荷电多相流理论及应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.

Zeleny J. Instability of Electrified Liquid Surfaces[J].Phys Rev， 1917， 10（1）：1-6.

TAYLOR G. Disintegration of Water Drops in an Electric Field[J]. Royal Society of London Proceedings， 1964， 280（1382）：383-397.

CLOUPEAU M， PRUNET-FOCH B. Electrostatic spraying of liquids in cone-jet mode[J]. Journal of Electrostatics， 1989， 22（2）：135-159.

CLOUPEAU M， PRUNET-FOCH B. Electrostatic spraying of liquids： Main functioning modes [J]. Journal of Electrostatics， 1990， 25（2）：165-184.

菅义夫. 静电手册[M]. 北京： 科学出版社， 1981.

鲍重光. 静电技术原理[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 1993.

叶红卫， 栾昌才. 水雾荷电量与荷质比的关系[J]. 电力科技与环保， 1996（2）： 49-51.

刘景良. 水雾荷电特性的试验研究[J]. 工业安全与环保， 1998（3）： 8-12.

何显梅. 水雾感应荷电理论及试验研究[J]. 金属矿山， 1990（9）： 14-16.

叶红卫， 栾昌才. 电晕法增强水雾除尘机理的探讨[J]. 工业安全与环保， 1995（10）： 42-45.

李飞. 荷电水雾空气净化装置的研制[D]. 上海： 上海交通大学， 2004.

MORRISON R D， HOPSTOCK D M. The distribution of current in wire-to-cylinder corona[J]. Journal of Electrostatics， 1979， 6（4）：349-360.