[논문 리뷰] Particle Dynamics in Corona Induced Electro-hydrodynamic Flow

Ravi Sankar Vaddi, Yifei Guan외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 08.

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 점대원통 전극 구성을 사용하여 코로나 방전에 의해 유도된 전자기유체역학(EHD) 유동에서 입자 운동을 조사한다. 이온 이동과 나비에-스토크스 방정식을 동시에 해결하는 결합 다물리카 모델은 전기장, 전하 밀도 및 유동장을 예측하며, 축방향으로 최대 EHD 속도가 1–4 m/s임을 보여준다. 주요 발견은 강한 전기장에서 높은 충전 효율성으로 인해 10–20 nm 입자에서 수집 효율이 향상되며, 20 nm 근처에서 최고 효율을 보이고, 더 작은 입자는 이동도 감소로 인해 효율이 떨어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 코로나 방전에 의해 생성된 전자기유체역학(EHD) 유동에서 나노입자의 거동을 이해하기 위해.
• 점대원통 기하구조에서 코로나 전압이 EHD 유동 속도 및 유량에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실내 및 NaCl 나노입자에 대해 20–150 nm 범위에서 지상 전극에서의 입자 수집 효율을 분석하기 위해.
• 고강도 전기장에서 충전 효율 향상으로 인해 10–20 nm 입자에서 수집 효율이 비정상적으로 증가하는 이유를 조사하기 위해.
• 20 nm 근처 입자에서 수집 효율 감소 원인을 질량 증가 및 전기 이동도 감소와 연결하여 설명하기 위해.

제안 방법

• 이온 이동 방정식과 나비에-스토크스 방정식(NSE)을 결합한 다물리카 수치 모델 개발.
• 점대원통 코로나 구조에서 전기장, 전하 밀도 및 유체 유동의 시공간 분포 시뮬레이션.
• 유동 출구에서의 시뮬레이션 속도 프로파일을 실험 측정치와 비교 검증.
• 고장력 영역에서 전기 이동도 및 충전 역학을 기반으로 한 입자 이동 및 수집 모델링.
• 20–150 nm 입자에 대해 예측된 수집 효율과 측정된 효율을 비교하기 위해 이론적 모델 사용.
• 고전하 밀도 환경에서의 입자 충전 메커니즘, 특히 단일 전하 흡수를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코로나 전압은 점대원통 기하구조에서 EHD 유동의 속도와 유량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 작은 크기임에도 불구하고 10–20 nm 입자에서 수집 효율이 증가하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 20 nm 근처 입자에서 수집 효율 감소의 원인은 무엇이며, 질량과 이동도와의 관계는 어떻게 되는가?
• RQ4 20 nm 이상의 입자에서 다수의 전하가 부여될 경우 전기 이동도 및 수집 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션된 유동 및 전기장 분포가 실험적 속도 프로파일과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• EHD 유동 속도는 코로나 전압 증가에 따라 증가하며, 유동축에서 최대 1–4 m/s에 도달한다.
• 최대 EHD 유동 속도는 항상 유동 채널의 중심축에 위치한다.
• 20–150 nm 입자에 대해 측정된 수집 효율은 전기 이동도 기반 이론 예측과 잘 일치한다.
• 10–20 nm 입자에 대해서는 고강도 전기장에서의 충전 효율 향상으로 인해 입자 크기가 감소할수록 수집 효율이 증가한다.
• 20 nm 근처 입자는 질량 증가와 전기 이동도 감소로 인해 수집 효율이 감소한다.
• 20 nm 이상의 입자는 다수의 전하를 획득함으로써 이동도와 포집 효율이 향상되어 수집 효율이 증가한다.