华中科技大学科研人员发表离子风应用新进展的研究综述

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离子风又称“电流体（EHD）”，是气体放电产生的高能电子推动中性粒子运动，从而在宏观上表现为流体的一种现象。由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点，在过去的数十年中，离子风的研究和应用取得了很大发展。

强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、华中科技大学电气与电子工程学院磁约束聚变与等离子体国际合作联合实验室的研究人员张明、李丁晨、李传、李家玮、杨勇，在2021年第13期《电工技术学报》上撰文，主要从实际应用和激励器结构改进两个方面，总结和分析近年来离子风的研究结果。离子风的实际应用主要集中在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等诸多领域，并对各领域存在的问题提出了解决方案。离子风激励器结构的改进主要解决了离子风在以上应用领域所存在的放电副产物、离子风强度低、带电粒子的影响、占用空间大和电极腐蚀等问题。最后，对离子风的未来研究做出了展望，为离子风的研究提供了思路。

气体在高电压的作用下发生碰撞电离产生带电粒子，带电粒子在电场作用下加速，并与空气分子碰撞引起的动量交换，在宏观上表现为流体运动，称为“离子风”，也叫“电流体（Electrohy Drodynamic, EHD）”或“电晕风”。离子风是由Hauksbee在18世纪首先发现的。由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点，进入21世纪以来，离子风逐渐成为研究的热点。

随着对离子风研究的不断深入，其应用领域得到了不断拓展。离子风在实际应用和改进方面的研究热点如图1所示。

例如在食品干燥领域，离子风可以加速食物表面水分的蒸发，从而延长食品保存时间；在温度控制领域，利用离子风的流体性质可以带走周围的热量，从而强化电子设备和元器件的空气对流散热；在推进领域，离子风可以控制边界层流体，抑制机翼气流分离，从而降低飞行时的空气阻力，提升飞行器的升力；在助燃领域，离子风可以带入放电过程中产生的活性粒子，促进燃料燃烧，提高燃烧效率；在空气净化领域，离子风所携带的电粒子与空气中的颗粒和微生物充分混合后，可凝聚颗粒，杀死微生物。

离子风的研究涉及流体力学、热力学、环境科学、航空航天以及能源动力等诸多领域。越来越多的学者加入到离子风的研究队伍中，极大地促进了离子风与不同领域的交叉融合。华中科技大学科研人员针对离子风的原理、产生方式、研究方式、应用与改进进行了总结。

图1 离子风在实际应用和改进方面的研究热点

他们的具体结论如下：

1）离子风的产生方式有三种：电晕放电、介质阻挡放电、辉光放电。其中电晕放电与介质阻挡放电是现阶段离子风产生的主要方式。电晕放电可采用直流、交流和脉冲供电，电极结构简单。采用电晕放电产生离子风时，可通过增加电极的曲率，减小放电间距改进离子风激励器。介质阻挡放电多数采用交流和脉冲供电，放电电极间需要绝缘介质。这种方式可通过改变介质材料、供电参数（频率、占空比）、电极形状（蜂窝式）优化离子风激励器。

2）离子风的速度与形态直接决定了它在不同领域的应用。离子风的实验测量上存在一定的局限性，但可建立离子风模型实现离子风的流场模拟。可分别求解电离区与迁移区的粒子分布，优化离子风模型。

3）电极参数、电压等级等是影响离子风的主要因素。改进离子风激励器时，可以根据应用场景的不同，调整电极结构，确定所需要的电压等级，选择合理的供电方式控制电能-风能转换效率。

4）现阶段离子风已经被应用在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等领域，并且取得很大进展，但其与大规模应用还有很大距离。在实验研究中发现了离子风激励器在应用与研究中存在的一些问题，主要是：①气体放电产生的副产物；②带电粒子沉积引起的绝缘问题和电磁兼容问题；③电极腐蚀；④转换效率低。

对于上述问题，科研人员提出了一些解决方案。例如，不仅可以对宏观电极结构进行改进提高离子风风速，也可以对微观电极表面进行处理，既能够提高电极疏水性，增强抗腐蚀性，又能够提高离子风风速。

针对离子风在不同领域中的问题，虽然现有学者对离子风激励器的电极结构、电源类型、发生方式和电极材料等方面问题提出了一系列改进措施，但这些研究大多是对单一方面的改进，要实现离子风的实际应用还需要深入研究。

科研人员认为，离子风激励器在未来的发展趋势是低压、耐用、高效和小型化。对于离子风在未来的研究与应用，他们提出了几点建议：

（1）在之前的研究中，辉光放电产生的离子风风速要高于电晕放电产生的离子风风速，但对电压控制精度要求较高，因此有必要研究离子风的精准控制策略。例如，集成信号采集数据与计算机控制技术，针对具体的工作环境，实现闭环控制，以提高控制精度；同时可以将人工智能技术引入离子风控制的研究，使得控制系统在应用中可以不断学习周围工作环境，提高工作效率。

（2）目前推进器一般工作在低气压的高空环境，未来若要使用离子风作为动力源，就必须开展离子风激励设备在恶劣环境下（低气压、低温、潮湿等）的实验研究，可优化电极结构保证离子风强度，以保障设备在实际应用时能正常工作。研发高功率微型电源，满足推进器飞行的低质量和高功率要求。

（3）继续开展提高离子风强度、降低使用电压等级的优化研究。例如考虑脉冲电源（占空比、频率）在离子风产生中的作用。

（4）解决离子风激励器小型化中绝缘和电磁兼容等问题。例如，可以从绝缘材料（无卤阻燃聚合物）和抑制放电电极相互间的干扰角度入手。

（5）寻找新型电极材料（如石墨烯材料），使得未来的离子风激励器具有更高的响应速度、效率和耐用性，同时降低了离子风激励器的维修成本。

（6）优化地电极形状，如网状电极的网孔大小、形状，以减小地电极对离子风的束缚作用。

（7）开展等离子体与离子风协同阻断细菌和病毒传播的研究，为离子风消杀应用提供理论参考。

（8）开展离子风在农业和水资源开发等新领域的应用，例如使用离子风加强二氧化碳、氧气的输送，促进农作物的增产；通过离子风收集雾水，缓解干旱-半干旱地区的水资源短缺问题。

以上研究成果发表在2021年第13期《电工技术学报》，论文标题为“离子风的应用研究进展”，作者为张明、李丁晨 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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