[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过针尖-管状电极构型，研究了电晕放电诱导的电液流（EHD）中粒子的动力学行为。所提出的耦合多物理场模型求解离子输运方程与纳维-斯托克斯方程（NSE），预测了电场、电荷密度和流场分布，结果显示轴向EHD流速最大值为1–4 m/s。主要发现表明，由于强电场中高充电效率，10–20 nm粒子的收集效率得到增强，峰值效率出现在约20 nm附近，而更小的粒子因迁移率降低导致效率下降。

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.

研究动机与目标

• 理解电晕放电产生的电液流（EHD）中纳米粒子的行为。
• 量化针尖-管状结构中电晕电压对EHD流速和流量的影响。
• 分析在地面电极上对环境及NaCl纳米粒子（20–150 nm）的粒子收集效率。
• 研究10–20 nm粒子收集效率异常升高的原因，归因于强电场中充电效率增强。
• 解释接近20 nm粒子收集效率降低的原因，及其与质量增加和电迁移率降低的关系。

提出的方法

• 开发一种将离子输运方程与纳维-斯托克斯方程（NSE）耦合的多物理场数值模型。
• 模拟针尖-管状电晕构型中电场、电荷密度和流体流动的时空分布。
• 将模拟的流速分布与出口处的实验测量结果进行验证。
• 基于高场区的电迁移率和充电动力学，建立粒子输运与收集的模型。
• 利用理论模型对比20–150 nm粒子的预测与实测收集效率。
• 分析高电荷密度环境下的粒子充电机制，特别是单电荷捕获过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 电晕电压如何影响针尖-管状构型中EHD流的流速和流量？
• RQ2 尽管尺寸较小，为何10–20 nm粒子的收集效率会提高？
• RQ3 接近20 nm粒子收集效率降低的原因是什么？这与质量增加和电迁移率降低有何关联？
• RQ4 大于20 nm的粒子因携带多个电荷，如何影响其电迁移率和收集效率？
• RQ5 模拟的流场与电场分布与实验流速分布的吻合程度如何？

主要发现

• EHD流速随电晕电压升高而增加，在流道轴向最大流速达到1–4 m/s。
• 最大EHD流速始终位于流道中心轴线上。
• 对于20–150 nm粒子，实测收集效率与基于电迁移率的理论预测高度一致。
• 对于10–20 nm粒子，收集效率随粒径减小而提高，归因于强电场中充电效率增强。
• 接近20 nm的粒子因质量增加和电迁移率降低，导致收集效率下降。
• 粒径大于20 nm的粒子因获得多个电荷，电迁移率和捕集效率随之提高。