负离子风产生原理（离子风的发生方式及其特点研究）

离子风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。离子风的流动特点、携带带电粒子等属性，决定了其在不同领域的广泛应用，主要有食品干燥、温度控制、推进、助燃和空气净化等。离子风所具有的独特优点使其应用前景光明，虽然离子风在很多领域还在实验阶段，并且一些关键问题还有待解决，但未来离子风的应用将会更加成熟。

离子风作为气体放电的一种现象，其产生的方式主要有电晕放电和表面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。也有研究者通过辉光放电产生离子风，但辉光放电是电晕放电提高电压后产生的结果，其基本装置图与电晕放电相同。图1所示为两种典型离子风激励器结构示意图。基于电晕放电和SDBD的离子风发生装置都是带电粒子在电场作用下与空气分子发生碰撞，进行动量交换从而产生离子风。

图1 离子风激励器基本结构示意图

基于电晕放电的离子风激励器，其电极含地电极和曲率较大的高压电极，高压电极与高压直流电源相连。如图2所示，典型电极结构有针-板式（图2a）、针-网式（图2b）、针-环式（图2c）、线-板式（图2d）、线-网式（图2e）、线-筒式（图2f）。高压电极周围存在不均匀电场，使得电极附近的气体发生电离，产生的带电粒子存在于高压电极附近的很小的区域内，即“电离区”。电离区的带电粒子在电场作用下向地电极运动，途经区域称为“迁移区”。带电粒子在运动过程中与空气分子碰撞交换动量，从而产生气体流动。

图2 六种典型电晕放电电极结构示意图

电晕放电按照所用电源电压极性可分为正极性和负极性。无论是正极性还是负极性，离子风的方向总是由高压电极指向地电极，这是由带电粒子的运动方向决定的。基于电晕放电的离子风激励器多为正极性，这是因为正电晕放电所产生的副产物较少。

需要指出的是，随着电晕放电所施电压升高，放电模式将经过电晕放电进入辉光放电阶段。辉光放电的电子能量和放电电流都比电晕放电要高，所产生的离子风强度也更高。但辉光放电所需电压等级接近火花放电，对电压控制精度要求较高，因此基于辉光放电的离子风激励器在实际中应用不多。

基于介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）的离子风激励器装置主要由封包电极（植入电极）与暴露电极（表面电极）构成，且封包电极被电介质材料包裹，如图1b所示。高压交流电源启动后，暴露电极周围产生的强电场将加速电极附近空气中自由电子、离子与空气分子碰撞。当电子能量达到阈值后，电子可以碰撞电离中性粒子，并使其释放出新的电子。

释放出的电子继续与其他中性粒子发生碰撞电离。放电过程中，带电粒子积聚在电介质上，形成表面电压。该表面电压可以有效补偿施加的电压，从而避免剧烈放电引起火花。当交流电压切换极性时，电介质上的带电粒子被加速，与空气分子发生动量交换形成离子风。

基于DBD产生的带电粒子在电场的作用下做定向运动，与空气分子发生碰撞，进行动量交换，从而使暴露电极附近的空气产生定向运动，形成离子风。离子风总是朝着远离暴露电极的方向流动。

离子风形态和风速共同决定了离子风的应用领域。不同的电极结构对离子风流场形态影响很大，国内外学者对典型电极结构下的离子风形态和风速进行了广泛的研究。

现有的方法主要用仿真与实验的研究离子风特性。仿真方法主要是忽略电离层的作用，通过带电粒子所受静电力作为体积力与N-S方程耦合进行模拟。若要进一步优化模型，可分区域计算电离区与迁移区模型。

实验方法主要是直接测量风速与拍摄示踪粒子。直接测量风速虽然能够得到具体风速，但无法获得离子风的流场分布，并且测量精度受仪器精度影响大；由于示踪粒子的运动速率与真实流场速率存在差异，不能反映真实的流场速率，但示踪粒子可以直观地反映离子风流场的分布。

图3a是通过高速相机拍摄的针-板式电晕放电产生的离子风可视化照片。在图中可以清楚地观察到电离区和离子迁移区。电离区分布在高压针电极周围，呈白色。由于电离区厚度与迁移区相比很小，因此在离子风数值模拟中，一般可忽略电离区的厚度。图3b和图3c是针-球、针-网电极的离子风可视化照片。

图3 三种电极结构下离子风激励器流场

表1 典型电极离子风风速汇总

影响离子风速度的因素较多，主要有放电形式、电极结构和电压等级。表1汇总了近年来国内外学者对典型电极结构下离子风风速的研究成果。可以看出，电极间距一般在20mm及以下，所施加电压等级多在20kV以下，离子风风速一般小于8m/s。

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。