[論文レビュー] Particle Dynamics in Corona Induced Electro-hydrodynamic Flow

Ravi Sankar Vaddi, Yifei Guan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2019

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、点対チューブ電極配置を用いたコロナ誘発電磁流動（EHD）流れにおける粒子の動態を調査している。イオン輸送方程式とナビエ＝ストークス方程式（NSE）を連成するマルチフィジックスモデルにより、電界、電荷密度、流れ場が予測され、軸方向のEHD最大速度が1–4 m/sであることが示された。主な発見として、強い電界における高い充電効率により、10–20 nm粒子の収集効率が向上し、20 nm付近でピークに達するが、より小さな粒子では移動度の低下により効率が低下することが分かった。

ABSTRACT

Particle behavior in electro-hydrodynamic (EHD) flow induced by corona discharge is investigated. EHD flow in a point-to-tube corona configuration is studied experimentally and numerically. Multiphysics numerical model couples ion transport equation and the Navier-Stokes equations (NSE) to solve for the spatiotemporal distribution of electric field, charge density, and flow field; the results are compared with experimental velocity profiles at the exit. The velocity and the flow rate increase with corona voltage, the maximum velocity of EHD flow is located at the axis and ranges from ~1-4 m/s. Collection efficiency trends for 20-150 nm nanoparticle on the ground electrode for ambient and NaCl particles are in good agreement with the theoretical models. However, for particles in 10-20 nm size range, the measured collection efficiency increases for smaller particles due to increase particle charging efficiency in the high-intensity electric field and high charge density environment of the EHD driven flow. These conditions allow a greater number of particles below 20 nm to acquire and hold a single charge, for particles approaching 20 nm the collection efficiency reduces due to their increase in mass, thus lower electrical mobility. For particles larger than 20 nm, the electrical mobility and the collection increases as they acquire multiple charges on a single particle.

研究の動機と目的

• コロナ放電によって生成される電磁流動（EHD）流れにおけるナノ粒子の挙動を理解すること。
• 点対チューブ幾何形状におけるコロナ電圧がEHD流れの速度および流量に与える影響を定量化すること。
• 環境およびNaClナノ粒子（20–150 nm）の地上電極における粒子収集効率を分析すること。
• 高強度電界における充電の向上により、10–20 nm粒子の収集効率が異常に増加する理由を調査すること。
• 20 nm付近の粒子における収集効率の低下が質量の増加および電気的移動度の低下とどのように関係するかを説明すること。

提案手法

• イオン輸送方程式とナビエ＝ストークス方程式（NSE）を結合するマルチフィジックス数値モデルの開発。
• 点対チューブコロナ構成における電界、電荷密度、流体の流れの空間的・時間的分布のシミュレーション。
• 流出断面における実験測定値と比較して、シミュレートされた速度プロファイルの妥当性を検証。
• 高電界領域における電気的移動度および充電ダイナミクスに基づく粒子輸送および収集のモデリング。
• 20–150 nm粒子の予測された収集効率と測定値を理論モデルを用いて比較分析。
• 特に高電荷密度環境下での単一電荷付与の粒子充電メカニズムの分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コロナ電圧は点対チューブ構成におけるEHD流れの速度および流量にどのように影響するか？
• RQ2 粒子のサイズが小さいにもかかわらず、10–20 nm粒子の収集効率が増加するのはなぜか？
• RQ3 20 nm付近の粒子で収集効率が低下するのは何が原因であり、質量および移動度とどのように関係するか？
• RQ4 20 nm以上の粒子に複数の電荷が付与された場合、その電気的移動度および収集効率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 シミュレートされた流れおよび電界分布は、実験的速度プロファイルとどの程度一致するか？

主な発見

• EHD流れの速度はコロナ電圧に比例して増加し、流れの軸上で最大1–4 m/sに達する。
• 最大EHD流れの速度は、流れチャネルの中心軸に一貫して位置する。
• 20–150 nm粒子では、測定された収集効率が電気的移動度に基づく理論的予測とよく一致する。
• 10–20 nm粒子では、高強度電界における充電効率の向上により、粒子サイズが小さくなるに従い収集効率が向上する。
• 20 nm付近の粒子では、質量の増加と電気的移動度の低下により収集効率が低下する。
• 20 nmを超える粒子は、複数の電荷を獲得することで移動度と捕集効率が向上し、収集効率が増加する。