直流電暈放電中的離子風增強帶電氣溶膠沉積1)

李嘉誠 劉大偉

(華中科技大學電氣與電子工程學院,強電磁技術全國重點實驗室,武漢 430074)

引言

21 世紀以來,隨著全球變暖的加劇,世界各國更易受到越來越頻繁的極端天氣事件的影響,如洪水和干旱[1-2].非洲和亞洲許多發(fā)展中國家的缺水嚴重影響了當?shù)氐墓I(yè)、農業(yè)和人民健康,而中國、澳大利亞和北美也發(fā)生了更頻繁的森林火災[3].人工增雨是為了緩解干旱問題而問世的,實用的人工增雨主要是通過在空中散布人造凝結核(碘化銀、食鹽、干冰等)改變云層內部的物理化學過程來實現(xiàn)的[4].然而,這些化學物質對環(huán)境和人類健康的負面影響依然具有爭論[5].

除了傳統(tǒng)的吸濕性顆粒外,離子與氣溶膠碰撞產生的帶電氣溶膠在過飽和條件下也可以作為凝聚核.例如,銀河系宇宙射線在大氣中產生的離子直接影響地球云量的變化[6-7].即使在相對濕度≤100%的條件下,帶電氣溶膠仍保持在凝結狀態(tài)[8].等離子體和激光技術產生的帶電氣溶膠已被用于實現(xiàn)增雨或除霧[9-11].有研究者開發(fā)了一種大型電暈系統(tǒng),在露天產生30 m × 23 m × 90 m 大范圍的高離子密度區(qū)域,可以有效地產生帶電氣溶膠[12].2013 年,有研究人員在哈杰爾山脈進行了為期170 d 的基于地面電離技術的增雨試驗,離子發(fā)射器產生了積極、顯著的增雨作用[13].同時,近年來,帶電氣溶膠的增強過濾還被認為是消除致病生物氣溶膠的重要途徑[14].

這些穩(wěn)定的、大規(guī)模的單電極電暈放電系統(tǒng)通常作為開放空間中的高效離子源,能在大范圍內將離子密度提高到103～ 106cm-3數(shù)量級,基本原理是中性液滴和帶電液滴在極化電場力的作用下相互吸引,從而提高液滴之間的碰撞效率,促進較大液滴的形成[15-17],有利于順風條件下氣溶膠的荷電[12],但其離子密度仍遠小于等離子區(qū)的密度(1011～ 1012cm-3),所以氣溶膠荷電碰并效率受到了很大的限制,其增雨效果還有很大的提高空間.因此,帶電氣溶膠增雨領域需要一種能夠使水霧氣溶膠流經等離子體區(qū)域而直接產生帶電氣溶膠的方法.

電暈放電系統(tǒng)在兩個電極之間的強電場中產生離子電流,這些高速離子通過碰撞將其動能傳遞給中性空氣分子,從而沿離子漂移方向加速氣體的流動,這樣產生的風被稱為離子風[18].離子風廣泛用于氣流控制[19]、湍流邊界層減阻[20]和等離子體助燃[21-22],其帶動氣體快速流動的特性為增強等離子體區(qū)域氣溶膠粒子的傳輸提供了新的選擇.

在本文中,我們開發(fā)了由針電極陣列和接地網狀電極組成的電暈放電系統(tǒng).雙電極電暈放電產生的離子風有利于氣溶膠粒子在具有高離子密度的放電區(qū)域的傳輸,以及隨后帶電氣溶膠在接地網狀電極上的吸附.與單電極電暈放電相比,這種雙電極電暈放電系統(tǒng)使空氣中氣溶膠顆粒的密度降低得更快,并且能夠實現(xiàn)更多的氣溶膠沉積.將離子風和電暈放電結合起來更有助于實現(xiàn)氣溶膠的高效充電和沉積,可以促進基于等離子體的增雨、除霧和生物氣溶膠滅活的發(fā)展.

1 實驗和數(shù)值模擬設置

本實驗采用體積為1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 的云室(圖1).為進行氣溶膠沉積實驗,云室內濕度由空氣干燥機(格力DH40EF) 和超聲波加濕器(美的SC4E40)控制在130 ± 10%.超聲波加濕器產生的水霧氣溶膠中值粒徑為2 μm,黏度可由Epstein-Plesset 方程估計為1.79 cP.室內空氣溫度為2 ± 1 °C.在云室底部放置一個接收面積為30 cm2的收集裝置,用來收集沉積的水霧氣溶膠.

圖1 實驗云室(6.75 m3)Fig.1 The cloud chamber (6.75 m3)

電暈放電系統(tǒng)的放電電極為不銹鋼針電極陣列(9 × 9)(圖2),對應的接地電極為不銹鋼網狀電極.電暈放電系統(tǒng)的放電通道橫截面為25 cm × 25 cm,針尖和接地網之間的距離為2 cm.接地網狀電極可以取出或不接地,來實現(xiàn)單電極電暈放電.針電極上的施加電壓為-20～-6 kV(直流電源: Technix 44-2015),用光譜儀(海洋光學 USB4000+)來測量電暈放電的光學發(fā)射光譜,腔室內的離子密度由離電極50 cm 處的離子計數(shù)器(air ion counter)測量.等離子體產生的離子風的風速由風速指示器(Testo 440)測量.空氣中氣溶膠隨粒徑的密度分布由氣溶膠粒徑譜儀(GRIMM 1.109)進行測量.

圖2 雙電極電暈放電系統(tǒng)的結構Fig.2 The structure of two electrodes corona discharge system

我們使用COMSOL Multiphysics 5.4 的等離子體模塊和靜電模塊模擬了在電極上施加高電壓所產生的電場,用湍流模塊模擬了電暈放電離子風引起的氣流.云室不可壓縮湍流控制方程為連續(xù)性方程,雷諾平均納維-斯托克斯方程[23-25]表示如下

其中 μ 為流體的動力黏度,T為湍流黏度,u為速度場,ρ 為流體密度,P為壓力,k為湍流動能,ε 為湍流耗散率.湍流模型在容器內所有湍流區(qū)域均有效,在壁附近,黏性效應占主導地位,模型與壁函數(shù)、壁的邊界條件一起作用.對于湍流場,所剖分的網格的單元形狀是三角形的且不均勻.2D 模型的幾何結構與實驗裝置的設置相同.氣流入口位置設置在針電極陣列位置,氣流入口速度為同一位置風速計測得的空氣風速.

2 結果和討論

2.1 電暈放電特性

對于單電極電暈放電,雖然整個針陣列由-15 kV電壓驅動,但只有17 個針的針尖處有電暈放電點(圖3(a)),總放電電流為0.05 mA.針陣列電極由9 × 9排列的針組成,放電通道橫截面為25 cm × 25 cm.針之間的距離小于3 cm,如此短的距離產生了相對均勻的針陣列電場.由于安裝公差的原因,不均勻電場增強只發(fā)生在少數(shù)針電極上.增強電場附近的空氣分子被激發(fā)和電離,因此只有大約22%的針產生了電暈放電.隨著距針尖距離的增加,電場強度降低,電子能量不足以電離和激發(fā)空氣分子[26].電暈放電等離子體輝光區(qū)的直徑僅為1 mm (圖3(a)).一旦在少數(shù)電極上觸發(fā)電暈放電,其他電極即使在更高的施加電壓下也不能促進放電的發(fā)展[27].實驗表明,即使施加更高的電壓(-24 kV)也不會增加電暈放電點.

圖3 電暈放電照片F(xiàn)ig.3 Photo of corona discharges

接地網狀電極的加入大大加強了電暈放電.圖3(b)表明,當針尖與接地網狀電極之間的距離為2 cm 時,每個針電極上都會發(fā)生電暈放電.本研究的等離子體體積定義為可以觀察到明顯等離子體輝光的區(qū)域.具體的計算是通過在相同的拍攝條件(曝光時間、相機ISO 等)下,單電極放電區(qū)域為球形,雙電極放電為近錐形.雙電極放電在針尖附近形成了一個明亮的發(fā)光區(qū)域,在針尖和接地網狀電極之間可以觀察到一個呈錐形的相對暗的發(fā)光區(qū)域[28].

經過計算,針陣列電極和接地網之間的等離子體體積為148 mm3,而單電極電暈放電針尖上的等離子體體積僅為0.53 mm3(比較圖3(a)和圖3(b)).單電極電暈放電的等離子體體積僅為雙電極電暈放電的0.08%,所以雙電極電暈放電產生的更大體積等離子體可以更有效地對氣溶膠進行荷電[29].

單電極和雙電極電暈放電陣列的電壓電流特性如圖4 所示.單電極放電的電流脈沖幅值和頻率相對于雙電極都要更小(圖4(a)).而隨著外加電壓從-9 kV 增加到-12 kV 和-15 kV,雙電極放電電流脈沖頻率從約50 kHz 分別增加到約125 kHz 和250 kHz (比較圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)).同時,雖然電流峰值從5 mA 降低到3.5 mA 和2.5 mA,但電流的時間平均值從0.298 mA 增加到0.325 mA 和0.336 mA.對于單電極負電暈放電也觀察到增加的電流脈沖頻率,Trichel 脈沖的重復頻率隨著施加電壓的增加而增加,而單脈沖的幅值略有下降[27,30-31].

圖4 兩種電暈放電的電壓電流特性Fig.4 The current and voltage characteristics of two electrodes corona discharges

圖5 雙電極在-15 kV 的電壓下放電的發(fā)射光譜Fig.5 The OES of two electrodes discharges with the applied voltage of-15 kV

2.2 電暈放電產生離子風

單電極和雙電極電暈放電在50 cm 距離處產生的離子密度如圖6 所示.對于單電極電暈放電,隨著外加電壓從-7 kV 增加到-15 kV,單電極產生的離子增加了5000 倍,但進一步增加外加電壓至-20 kV,離子密度僅再增加2.5 倍.當外加電壓小于-15 kV時,針電極陣列的電暈放電點隨著電壓的增加而增加,導致離子密度增加較快.電壓進一步增加到-20 kV 只會增加圖3 所示放電點的電暈放電強度.

圖6 單電極和雙電極在距離放電電極50 cm 處電暈放電產生的離子密度Fig.6 The ion concentrations generated by single or two electrodes corona discharges at the distance of 50 cm from the electrode

可以發(fā)現(xiàn),針電極和接地電極之間的電場限制了離子的傳輸.外加電壓從-7 kV 增加到-20 kV,雙電極放電的離子密度增加了600 倍,而單電極的離子密度增加了12500 倍.有趣的是,單電極和雙電極放電之間的最大離子密度差異發(fā)生在-15 kV.單電極的離子密度是雙電極密度的160 倍,隨著電壓增加到-20 kV,這種差異減小到33 倍.

雙電極放電區(qū)域的高離子密度和強電場可以促進離子風的產生.放電區(qū)的離子密度在1011～ 1013cm-3范圍內,單電極放電離子區(qū)(80 T 約化場強線之外)的離子密度在107～ 109cm-3范圍內[36].由于單電極電暈放電的放電量僅為雙電極電暈放電的0.08%(圖3),根據圖3 中等離子體體積和圖4 中電流大小的比較,可以判斷出單電極電暈放電產生的總離子量遠小于雙電極產生的離子總量.

雙電極電暈放電和單電極電暈放電的電場對比如圖7 所示.雙電極放電針電極尖端附近的峰值電場為1.0 × 106V/m,而單電極放電僅為3.0 × 105V/m.離針電極1 cm 處的電場分別為,雙電極放電6.0 ×105V/m 和單電極電暈放電4.0 × 104V/m,雙電極放電的電場約為單電極放電的15 倍.沒有地電極的約束,單電極的較低電場更有利于離子向開放空間的漂移和擴散,這也是測量到單電極放電在開放空間中具有更高離子密度的原因(圖6).

圖7 由通電的針電極產生的電場(左為雙電極放電,右為單電極放電)Fig.7 The electric field generated by the powered pin electrode (two electrodes discharges on the left and single electrode discharge on the right)

雙電極電暈放電具有兩大優(yōu)點: 大放電體積內離子密度高、針和地電極間的電場強,所以能夠產生比單電極電暈放電更強的離子風.圖8 顯示,隨著外加電壓從-7 kV 增加到-20 kV,距離放電電極15 cm 處的離子風速從0.28 m/s 增加到2.18 m/s,但單電極放電的離子風測量值始終低于檢測下限(0.05 m/s).雖然在開放空間內有相對較高的離子密度(圖6),但是由于離子密度和電場強度的雙重限制,單電極電暈放電不能產生足夠強的離子風.

圖8 雙電極電暈放電的離子風速Fig.8 The ionic wind of two electrodes corona discharges

雙電極電暈放電產生的離子風增強了云室內的空氣流通.圖9 顯示了離子風可以使云室內的空氣以2 m/s 的速度通過電暈放電陣列.因此,對于體積為1.5 m × 1.5 m × 1.5 m 的云室,截面為0.25 m ×0.25 m 的電暈放電陣列產生的離子風每19 s 就可以循環(huán)處理一次云室內的氣溶膠(Comsol 的粒子跟蹤功能,數(shù)據未顯示).

圖9 離子風引起云室內部的空氣循環(huán)Fig.9 The air circulation inside the cloud chamber induced by the ionic wind

2.3 離子風對水霧氣溶膠沉積效果的增強

為了驗證該放電系統(tǒng)對氣溶膠沉積的增強效果,將單電極電暈放電和雙電極電暈放電進行了對比.實驗對云室內的氣溶膠密度(氣溶膠直徑在0.25～32 μm 范圍內)從1.0 × 105L-1降低到2.0 × 104L-1所需的時間進行了測量,結果如圖10 所示,雙電極放電所需要的時間只有單電極放電的1/4～ 1/3.雖然云室中單電極電暈放電的離子密度比雙電極電暈放電高2 個數(shù)量級以上(圖6),但云室中離子與氣溶膠碰撞產生的帶電氣溶膠沉積效率比離子風直接輸送氣溶膠通過放電區(qū)域的效率低得多.

圖10 單電極和雙電極電暈放電在云室中降低氣溶膠密度所需的時間Fig.10 Time needed for single electrode and double electrodes discharge to reduce aerosol density

單電極電暈放電產生的帶電氣溶膠的沉積通常包括3 個步驟: 第1 是電暈放電產生的離子的擴散;第2 是離子與氣溶膠在布朗運動中碰撞而產生帶電的氣溶膠;第3 是帶電氣溶膠和不帶電氣溶膠之間通過電場增強的碰撞[12,29,37].氣溶膠緩慢的隨機運動,還有與雙電極電暈放電的放電區(qū)相比低得多的離子密度,導致單電極電暈放電的氣溶膠沉積緩慢.

雙電極放電的離子風大大提高了氣溶膠沉積效率,它使云室中的氣溶膠每19 s 循環(huán)一次,從雙電極放電區(qū)域通過.等離子體區(qū)域的高離子密度和雙電極之間的強電場實現(xiàn)了氣溶膠的快速場致荷電和帶電氣溶膠在接地網狀電極上的沉積[38-39].表1 表明,沉積在接地網狀電極上(雙電極放電)的水霧氣溶膠質量是沒有接地連接的網狀電極上(單電極放電)的212 倍.單電極放電的氣溶膠沉積集中在帶電氣溶膠的生長和隨后的較大直徑氣溶膠的重力沉積,因此其在云室底部接收裝置上沉積的氣溶膠質量高于雙電極放電.對于總氣溶膠沉積質量,雙電極放電是單電極放電的8.23 倍.但是與單電極放電對比,由于在較遠距離下離子濃度不夠高,所以雙電極放電系統(tǒng)更適合在低風速下消除山峰上的病原生物氣溶膠或人工增雨[12,40].

表1 自然沉積、單電極電暈放電和雙電極電暈放電的氣溶膠沉積Table 1 The aerosols deposition of natural precipitation,single electrode corona discharge,and two electrodes corona discharges

3 結論

雙電極放電產生的離子風增強了氣溶膠在云室中的沉積.雖然單電極電暈放電云室中的離子密度比雙電極電暈放電高2～ 3 個數(shù)量級,但離子風使氣溶膠在放電區(qū)快速循環(huán),大量帶電氣溶膠沉積在接地網狀電極上.因此,雙電極放電的總氣溶膠沉積量比單電極電暈放電高8.3 倍.基于針陣列電極的雙電極電暈放電是人工增雨或消除致病生物氣溶膠的潛在有力工具.