直流电晕放电中的离子风增强带电气溶胶沉积1)

李嘉诚 刘大伟

(华中科技大学电气与电子工程学院,强电磁技术全国重点实验室,武汉 430074)

引言

21 世纪以来,随着全球变暖的加剧,世界各国更易受到越来越频繁的极端天气事件的影响,如洪水和干旱[1-2].非洲和亚洲许多发展中国家的缺水严重影响了当地的工业、农业和人民健康,而中国、澳大利亚和北美也发生了更频繁的森林火灾[3].人工增雨是为了缓解干旱问题而问世的,实用的人工增雨主要是通过在空中散布人造凝结核(碘化银、食盐、干冰等)改变云层内部的物理化学过程来实现的[4].然而,这些化学物质对环境和人类健康的负面影响依然具有争论[5].

除了传统的吸湿性颗粒外,离子与气溶胶碰撞产生的带电气溶胶在过饱和条件下也可以作为凝聚核.例如,银河系宇宙射线在大气中产生的离子直接影响地球云量的变化[6-7].即使在相对湿度≤100%的条件下,带电气溶胶仍保持在凝结状态[8].等离子体和激光技术产生的带电气溶胶已被用于实现增雨或除雾[9-11].有研究者开发了一种大型电晕系统,在露天产生30 m × 23 m × 90 m 大范围的高离子密度区域,可以有效地产生带电气溶胶[12].2013 年,有研究人员在哈杰尔山脉进行了为期170 d 的基于地面电离技术的增雨试验,离子发射器产生了积极、显著的增雨作用[13].同时,近年来,带电气溶胶的增强过滤还被认为是消除致病生物气溶胶的重要途径[14].

这些稳定的、大规模的单电极电晕放电系统通常作为开放空间中的高效离子源,能在大范围内将离子密度提高到103～ 106cm-3数量级,基本原理是中性液滴和带电液滴在极化电场力的作用下相互吸引,从而提高液滴之间的碰撞效率,促进较大液滴的形成[15-17],有利于顺风条件下气溶胶的荷电[12],但其离子密度仍远小于等离子区的密度(1011～ 1012cm-3),所以气溶胶荷电碰并效率受到了很大的限制,其增雨效果还有很大的提高空间.因此,带电气溶胶增雨领域需要一种能够使水雾气溶胶流经等离子体区域而直接产生带电气溶胶的方法.

电晕放电系统在两个电极之间的强电场中产生离子电流,这些高速离子通过碰撞将其动能传递给中性空气分子,从而沿离子漂移方向加速气体的流动,这样产生的风被称为离子风[18].离子风广泛用于气流控制[19]、湍流边界层减阻[20]和等离子体助燃[21-22],其带动气体快速流动的特性为增强等离子体区域气溶胶粒子的传输提供了新的选择.

在本文中,我们开发了由针电极阵列和接地网状电极组成的电晕放电系统.双电极电晕放电产生的离子风有利于气溶胶粒子在具有高离子密度的放电区域的传输,以及随后带电气溶胶在接地网状电极上的吸附.与单电极电晕放电相比,这种双电极电晕放电系统使空气中气溶胶颗粒的密度降低得更快,并且能够实现更多的气溶胶沉积.将离子风和电晕放电结合起来更有助于实现气溶胶的高效充电和沉积,可以促进基于等离子体的增雨、除雾和生物气溶胶灭活的发展.

1 实验和数值模拟设置

本实验采用体积为1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 的云室(图1).为进行气溶胶沉积实验,云室内湿度由空气干燥机(格力DH40EF) 和超声波加湿器(美的SC4E40)控制在130 ± 10%.超声波加湿器产生的水雾气溶胶中值粒径为2 μm,黏度可由Epstein-Plesset 方程估计为1.79 cP.室内空气温度为2 ± 1 °C.在云室底部放置一个接收面积为30 cm2的收集装置,用来收集沉积的水雾气溶胶.

图1 实验云室(6.75 m3)Fig.1 The cloud chamber (6.75 m3)

电晕放电系统的放电电极为不锈钢针电极阵列(9 × 9)(图2),对应的接地电极为不锈钢网状电极.电晕放电系统的放电通道横截面为25 cm × 25 cm,针尖和接地网之间的距离为2 cm.接地网状电极可以取出或不接地,来实现单电极电晕放电.针电极上的施加电压为-20～-6 kV(直流电源: Technix 44-2015),用光谱仪(海洋光学 USB4000+)来测量电晕放电的光学发射光谱,腔室内的离子密度由离电极50 cm 处的离子计数器(air ion counter)测量.等离子体产生的离子风的风速由风速指示器(Testo 440)测量.空气中气溶胶随粒径的密度分布由气溶胶粒径谱仪(GRIMM 1.109)进行测量.

图2 双电极电晕放电系统的结构Fig.2 The structure of two electrodes corona discharge system

我们使用COMSOL Multiphysics 5.4 的等离子体模块和静电模块模拟了在电极上施加高电压所产生的电场,用湍流模块模拟了电晕放电离子风引起的气流.云室不可压缩湍流控制方程为连续性方程,雷诺平均纳维-斯托克斯方程[23-25]表示如下

其中 µ 为流体的动力黏度,T为湍流黏度,u为速度场,ρ 为流体密度,P为压力,k为湍流动能,ε 为湍流耗散率.湍流模型在容器内所有湍流区域均有效,在壁附近,黏性效应占主导地位,模型与壁函数、壁的边界条件一起作用.对于湍流场,所剖分的网格的单元形状是三角形的且不均匀.2D 模型的几何结构与实验装置的设置相同.气流入口位置设置在针电极阵列位置,气流入口速度为同一位置风速计测得的空气风速.

2 结果和讨论

2.1 电晕放电特性

对于单电极电晕放电,虽然整个针阵列由-15 kV电压驱动,但只有17 个针的针尖处有电晕放电点(图3(a)),总放电电流为0.05 mA.针阵列电极由9 × 9排列的针组成,放电通道横截面为25 cm × 25 cm.针之间的距离小于3 cm,如此短的距离产生了相对均匀的针阵列电场.由于安装公差的原因,不均匀电场增强只发生在少数针电极上.增强电场附近的空气分子被激发和电离,因此只有大约22%的针产生了电晕放电.随着距针尖距离的增加,电场强度降低,电子能量不足以电离和激发空气分子[26].电晕放电等离子体辉光区的直径仅为1 mm (图3(a)).一旦在少数电极上触发电晕放电,其他电极即使在更高的施加电压下也不能促进放电的发展[27].实验表明,即使施加更高的电压(-24 kV)也不会增加电晕放电点.

图3 电晕放电照片Fig.3 Photo of corona discharges

接地网状电极的加入大大加强了电晕放电.图3(b)表明,当针尖与接地网状电极之间的距离为2 cm 时,每个针电极上都会发生电晕放电.本研究的等离子体体积定义为可以观察到明显等离子体辉光的区域.具体的计算是通过在相同的拍摄条件(曝光时间、相机ISO 等)下,单电极放电区域为球形,双电极放电为近锥形.双电极放电在针尖附近形成了一个明亮的发光区域,在针尖和接地网状电极之间可以观察到一个呈锥形的相对暗的发光区域[28].

经过计算,针阵列电极和接地网之间的等离子体体积为148 mm3,而单电极电晕放电针尖上的等离子体体积仅为0.53 mm3(比较图3(a)和图3(b)).单电极电晕放电的等离子体体积仅为双电极电晕放电的0.08%,所以双电极电晕放电产生的更大体积等离子体可以更有效地对气溶胶进行荷电[29].

单电极和双电极电晕放电阵列的电压电流特性如图4 所示.单电极放电的电流脉冲幅值和频率相对于双电极都要更小(图4(a)).而随着外加电压从-9 kV 增加到-12 kV 和-15 kV,双电极放电电流脉冲频率从约50 kHz 分别增加到约125 kHz 和250 kHz (比较图4(b)、图4(c)和图4(d)).同时,虽然电流峰值从5 mA 降低到3.5 mA 和2.5 mA,但电流的时间平均值从0.298 mA 增加到0.325 mA 和0.336 mA.对于单电极负电晕放电也观察到增加的电流脉冲频率,Trichel 脉冲的重复频率随着施加电压的增加而增加,而单脉冲的幅值略有下降[27,30-31].

图4 两种电晕放电的电压电流特性Fig.4 The current and voltage characteristics of two electrodes corona discharges

图5 双电极在-15 kV 的电压下放电的发射光谱Fig.5 The OES of two electrodes discharges with the applied voltage of-15 kV

2.2 电晕放电产生离子风

单电极和双电极电晕放电在50 cm 距离处产生的离子密度如图6 所示.对于单电极电晕放电,随着外加电压从-7 kV 增加到-15 kV,单电极产生的离子增加了5000 倍,但进一步增加外加电压至-20 kV,离子密度仅再增加2.5 倍.当外加电压小于-15 kV时,针电极阵列的电晕放电点随着电压的增加而增加,导致离子密度增加较快.电压进一步增加到-20 kV 只会增加图3 所示放电点的电晕放电强度.

图6 单电极和双电极在距离放电电极50 cm 处电晕放电产生的离子密度Fig.6 The ion concentrations generated by single or two electrodes corona discharges at the distance of 50 cm from the electrode

可以发现,针电极和接地电极之间的电场限制了离子的传输.外加电压从-7 kV 增加到-20 kV,双电极放电的离子密度增加了600 倍,而单电极的离子密度增加了12500 倍.有趣的是,单电极和双电极放电之间的最大离子密度差异发生在-15 kV.单电极的离子密度是双电极密度的160 倍,随着电压增加到-20 kV,这种差异减小到33 倍.

双电极放电区域的高离子密度和强电场可以促进离子风的产生.放电区的离子密度在1011～ 1013cm-3范围内,单电极放电离子区(80 T 约化场强线之外)的离子密度在107～ 109cm-3范围内[36].由于单电极电晕放电的放电量仅为双电极电晕放电的0.08%(图3),根据图3 中等离子体体积和图4 中电流大小的比较,可以判断出单电极电晕放电产生的总离子量远小于双电极产生的离子总量.

双电极电晕放电和单电极电晕放电的电场对比如图7 所示.双电极放电针电极尖端附近的峰值电场为1.0 × 106V/m,而单电极放电仅为3.0 × 105V/m.离针电极1 cm 处的电场分别为,双电极放电6.0 ×105V/m 和单电极电晕放电4.0 × 104V/m,双电极放电的电场约为单电极放电的15 倍.没有地电极的约束,单电极的较低电场更有利于离子向开放空间的漂移和扩散,这也是测量到单电极放电在开放空间中具有更高离子密度的原因(图6).

图7 由通电的针电极产生的电场(左为双电极放电,右为单电极放电)Fig.7 The electric field generated by the powered pin electrode (two electrodes discharges on the left and single electrode discharge on the right)

双电极电晕放电具有两大优点: 大放电体积内离子密度高、针和地电极间的电场强,所以能够产生比单电极电晕放电更强的离子风.图8 显示,随着外加电压从-7 kV 增加到-20 kV,距离放电电极15 cm 处的离子风速从0.28 m/s 增加到2.18 m/s,但单电极放电的离子风测量值始终低于检测下限(0.05 m/s).虽然在开放空间内有相对较高的离子密度(图6),但是由于离子密度和电场强度的双重限制,单电极电晕放电不能产生足够强的离子风.

图8 双电极电晕放电的离子风速Fig.8 The ionic wind of two electrodes corona discharges

双电极电晕放电产生的离子风增强了云室内的空气流通.图9 显示了离子风可以使云室内的空气以2 m/s 的速度通过电晕放电阵列.因此,对于体积为1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 的云室,截面为0.25 m ×0.25 m 的电晕放电阵列产生的离子风每19 s 就可以循环处理一次云室内的气溶胶(Comsol 的粒子跟踪功能,数据未显示).

图9 离子风引起云室内部的空气循环Fig.9 The air circulation inside the cloud chamber induced by the ionic wind

2.3 离子风对水雾气溶胶沉积效果的增强

为了验证该放电系统对气溶胶沉积的增强效果,将单电极电晕放电和双电极电晕放电进行了对比.实验对云室内的气溶胶密度(气溶胶直径在0.25～32 μm 范围内)从1.0 × 105L-1降低到2.0 × 104L-1所需的时间进行了测量,结果如图10 所示,双电极放电所需要的时间只有单电极放电的1/4～ 1/3.虽然云室中单电极电晕放电的离子密度比双电极电晕放电高2 个数量级以上(图6),但云室中离子与气溶胶碰撞产生的带电气溶胶沉积效率比离子风直接输送气溶胶通过放电区域的效率低得多.

图10 单电极和双电极电晕放电在云室中降低气溶胶密度所需的时间Fig.10 Time needed for single electrode and double electrodes discharge to reduce aerosol density

单电极电晕放电产生的带电气溶胶的沉积通常包括3 个步骤: 第1 是电晕放电产生的离子的扩散;第2 是离子与气溶胶在布朗运动中碰撞而产生带电的气溶胶;第3 是带电气溶胶和不带电气溶胶之间通过电场增强的碰撞[12,29,37].气溶胶缓慢的随机运动,还有与双电极电晕放电的放电区相比低得多的离子密度,导致单电极电晕放电的气溶胶沉积缓慢.

双电极放电的离子风大大提高了气溶胶沉积效率,它使云室中的气溶胶每19 s 循环一次,从双电极放电区域通过.等离子体区域的高离子密度和双电极之间的强电场实现了气溶胶的快速场致荷电和带电气溶胶在接地网状电极上的沉积[38-39].表1 表明,沉积在接地网状电极上(双电极放电)的水雾气溶胶质量是没有接地连接的网状电极上(单电极放电)的212 倍.单电极放电的气溶胶沉积集中在带电气溶胶的生长和随后的较大直径气溶胶的重力沉积,因此其在云室底部接收装置上沉积的气溶胶质量高于双电极放电.对于总气溶胶沉积质量,双电极放电是单电极放电的8.23 倍.但是与单电极放电对比,由于在较远距离下离子浓度不够高,所以双电极放电系统更适合在低风速下消除山峰上的病原生物气溶胶或人工增雨[12,40].

表1 自然沉积、单电极电晕放电和双电极电晕放电的气溶胶沉积Table 1 The aerosols deposition of natural precipitation,single electrode corona discharge,and two electrodes corona discharges

3 结论

双电极放电产生的离子风增强了气溶胶在云室中的沉积.虽然单电极电晕放电云室中的离子密度比双电极电晕放电高2～ 3 个数量级,但离子风使气溶胶在放电区快速循环,大量带电气溶胶沉积在接地网状电极上.因此,双电极放电的总气溶胶沉积量比单电极电晕放电高8.3 倍.基于针阵列电极的双电极电晕放电是人工增雨或消除致病生物气溶胶的潜在有力工具.