离子风气流加速装置、离子风气流特性研究装置及方法

摘要

本发明公开了一种离子风气流加速装置，包括由电晕极和集电极构成的电极结构，以及在电晕极和集电极之间施加电压的高压电源，电极结构为线-板式放电形式，且电晕极包括芒刺型电晕线，其放电能力强、电磁干扰小。本发明还公开了一种离子风气流特性研究装置及方法。本发明通过粒子成像技术能够实现无扰动、非接触式测量的目的，从而较为准确地研究离子风气流特性，并且，本发明通过不同档位的电压变化研究离子风气流特性，并通过处理实验数据得到电压波动下的离子风速变化的曲线，从而进一步分析离子风在不同电压下的全流场气流特性。

说明书

技术领域

本发明涉及气体放电领域，特别涉及一种离子风气流加速装置以及一种离子风气流特性研究装置和方法。 

背景技术

在曲率半径大小相差极大的电晕极和集电极之间施加高压，诱导在曲率半径小的电极附近的空气电离，即为所谓的电晕放电现象。离子风气流加速装置即是通过利用空气放电时的离子运动产生气流并带动周围中性气体分子运动实现气流加速。离子风空气加速器机理的本质是空气分子发生电晕放电，诱导空气中的中性粒子发生电离并产生气流运动的过程。 

自1709年英国人Hauksbee发现离子风现象以来，许多学者都曾对该现象进行过研究，直到两个世纪后，才初步建立了对离子风效应的理论解释。 

提高离子风速是近年来国际离子风研究领域中的前沿课题，为了提高离子风空气加速装置的气流速度，国际学术界已经发表了针-板式、线-板式、线-管式、线-线式、针-环式、线-筒式等结构的离子风发生装置技术成果。各国学者对离子风技术的研究主要侧重在极间电压和电极结构等方面，极间电压主要包括脉冲电压、直流电压和高频高压等；电极结构主要有针-板电极结构、线-板电极结构、线-管电极结构等。此外，人们把离子风技术应用到气动流控制、静电除尘、空气净化、干燥、散热等领域。 

但是，以往的离子风气流特性的研究过程，具有如下局限： 

a、将风速仪直接放入流体通道中，属于接触式扰动测量，对流场干扰极大； 

b、传统的粒子成像技术进行流场测量时采用向流体通道中直接充入气体的方法，容易造成烟雾浓度的不均匀； 

c、传统的离子风特性研究仅仅限于研究风速的单点或多点特性，无法显示全流场； 

d、传统的气流加速装置容易引起电磁干扰，产生尖端放电。 

因此，如何设计一种放电能力强且电磁干扰小的离子风气流加速装置，以及如何设计一种离子风气流特性研究装置及其研究方法，能够更为准确地研究离子风气流特性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种放电能力强且电磁干扰小的离子风气流加速装置，还提供了一种离子风气流特性研究装置和方法，以此能够更为准确有效地研究离子风气流特性。 

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种离子风气流加速装置，包括由电晕极和集电极构成的电极结构，以及在所述电晕极和所述集电极之间施加电压的高压电源，所述电极结构为线-板式放电形式，且所述电晕极包括芒刺型电晕线。 

优选地，在上述离子风气流加速装置中，所述电极结构采用四级电极结构，且所述芒刺型电晕线均匀布置。 

一种离子风气流特性研究装置，包括所述离子风气流加速装置，还包括用于粒子成像的测量装置，所述测量装置包括： 

透明且密封的流体通道，所述电晕极和所述集电极均采用绝缘装置进行固定，并且设置于所述流体通道内，所述高压电源设置于所述流体通道外； 

用于在粒子成像过程中进行拍摄的CCD相机，所述CCD相机的镜头方向和所述流体通道内的待测区域保持垂直； 

激光器，所述激光器能够发出片光源且照亮整个待测流场的激光光头，所述片光源的照射方向和所述流体通道内的待测区域保持垂直； 

用于记录并显示测试数据的计算机； 

用于控制所述激光器发光且控制所述CCD相机拍摄的控制器，所述控制器与所述计算机相连。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，还包括设置于所述流体通道内，用于散布示踪粒子的烟雾发生器。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，所述烟雾发生器包括电炉，以及煤油或甘油的固体颗粒，所述固体颗粒用开口容器盛装，并放置于所述电炉上。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，还包括位于所述流体通道外，用以调节所述电炉电压的调压装置。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，所述高压电源的开关具有电压幅值不同的不同档位。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，所述高压电源采用脉宽调制的控制方式，所述高压电源的开关具有电压频率不同的不同档位。 

优选地，在上述离子风气流特性研究装置中，所述流体通道的材料为有机玻璃。 

一种离子风气流特性研究方法，包括以下步骤： 

步骤一：布置并连接好离子风气流加速装置和粒子成像测量装置，其中，令所述粒子成像测量装置的CCD相机的镜头方向和激光器发出的片光源方向分别与所述离子风气流加速装置的流体通道内的待测区域垂直布置； 

步骤二：开启所述离子风气流加速装置和所述粒子成像测量装置，令所述离子风气流加速装置的高压电源的直流电压恒定，改变交流分量的幅值和频率，所述粒子成像测量装置拍摄下所述待测区域在不同电压幅值和频率下的图像，并记录实验数据，通过所述实验数据和所述图像分析所述待测区域中的离子输运能力的改变； 

步骤三：将所述离子风气流加速装置在不同频率和/或不同幅值的电压下测得的离子风速的实验数据进行处理，得到电压波动下的离子风速变化的曲线。 

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的离子风气流加速装置中的电极结构采用线-板式，且电晕极采用芒刺型电晕线，既可以达到放电能力增强的目的，又具有便于固定、电磁干扰小的特性。此外，本发明实施例提供的离子风气流特性研究装置，采用粒子成像的测量装置对上述离子风气流加速装置中的气流特性进行研究，该实验数据通过控制器和计算机控制获 取，所有测试装置均至于流体通道6的外侧，并通过图像记录全场气流现象，实现了无扰动、非接触式的测量，且可以显示全场流气特性，达到了准确地研究离子风气流特性的目的。本发明实施例提供的离子风气流特性研究方法，通过不同档位的电压变化研究气流特性，并通过处理实验数据得到电压波动下的离子风速变化的曲线，从而进一步分析不同电压下的全场气流特性。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明实施例提供的离子风气流加速装置的电极结构的结构示意图； 

图2为本发明实施例提供的离子风气流特性研究装置的布置结构示意图； 

图3为本发明一个实施例中得到的离子风速度分布的矢量图； 

图4为本发明一个实施例中得到的离子风速变化的曲线。 

具体实施方式

本发明公开了一种放电能力强且电磁干扰小的离子风气流加速装置，还提供了一种离子风气流特性研究装置和方法，以此能够更为准确地研究离子风气流特性。 

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

请参阅图1-图4，图1为本发明实施例提供的离子风气流加速装置的电极结构的结构示意图，图2为本发明实施例提供的离子风气流特性研究装置的 布置结构示意图，图3为本发明一个实施例中得到的离子风速度分布的矢量图，图4为本发明一个实施例中得到的离子风速变化的曲线。 

本发明一具体实施例提供的离子风气流加速装置，包括由电晕极11和集电极12构成的电极结构，以及在电晕极11和集电极12之间施加高压电的高压电源1，该电极结构为线-板式放电形式，且电晕极11包括芒刺型电晕线111。 

电晕极11放电能力的好坏与电晕极11中放电线的尖角（既曲率）有关，电晕极11的形式有多种，放电尖角越多则电晕的效果也就越好。芒刺型电晕线111是一种新结构的电晕线，利用薄钢板弯折而成，并在钢板的两侧设有与电晕线垂直的芒刺。芒刺型电晕线111还具有较高的机械强度，且不易断线，造价低廉。由于本发明实施例提供的离子风气流加速装置中的电极结构为线-板式放电形式，且电晕极采用芒刺型电晕线111，所以，既可以达到放电能力增强的目的，又具有便于固定、电磁干扰小的特性。 

在本实施例中，放电形式采用四级电极结构，即具有四个电晕极的电极结构形式，其放电能力大大增强。此外，本实施例中的芒刺型电晕线111均匀布置，以得到均匀分布的放电场，便于实验数据的处理与分析，得到更为准确地测试结果。 

本发明还提供了一种离子风气流特性研究装置，该研究装置包括上述实施例中提供的离子风气流加速装置，还包括用于粒子成像的测量装置，该测量装置包括流体通道6、CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机7、激光器4、计算机8和控制器9。 

其中，流体通道6为透明且密封的有机玻璃，优选其厚度为5mm，且为40cm*40cm*40cm的正方体。但是，本领域的技术人员容易想到的是，流体通道6的尺寸并不限于此，并且材质也不仅限于有机玻璃，只要是便于观察和拍摄流体通道6内示踪粒子的透明材质即可，本实施例提供的流体通道6的具体尺寸及材质仅为优选方案，因此，本发明对此不作限定。 

其中，电晕极11和集电极12均采用绝缘装置进行固定且设置于流体通道6内，以使得电场分布均匀，离子风速稳定；CCD相机7用于在粒子成像过程中对流体通道6内的示踪粒子进行拍摄，因此，CCD相机7的镜头方向和流体通道6内的待测区域保持垂直；激光器4具有能够发出片光源且照亮 整个待测区域的激光光头2，该激光光头2发出的片光源方向和流体通道6内的待测区域保持垂直；计算机8用于记录并显示测试数据；控制器9用于控制激光器4发光，同时控制CCD相机7照相，因此，激光器4与CCD相机7分别通过控制器9与计算机8相连。在进行实验研究时，离子风气流特性研究装置具体的布置方式及各装置之间的位置关系请参阅图2。 

由于本发明实施例提供的离子风气流特性研究装置，采用粒子成像技术的测量装置对上述离子风气流加速装置中的气流特性进行研究，该实验数据通过控制器9和计算机8控制获取，并且所有测试装置均至于流体通道6的外侧，可以通过图像记录全场气流现象，因此，实现了无扰动、非接触式的测量，且可以显示全流场特性，达到了准确地研究离子风气流特性的目的。 

为了进一步优化上述技术方案，本发明还包括用于散布示踪粒子的烟雾发生器5，该烟雾发生器5设置于流体通道6内。在本实施例中，烟雾发生器5包括电炉，以及煤油的固体颗粒，该固体颗粒用开口容器盛装，并放置于电炉上。当电炉通电加热时，煤油的固体颗粒便挥发成气态粒子，即烟雾，散布到流体通道6内成为示踪粒子，当离子风气流加速装置中产生离子风时，该示踪粒子则起到便于CCD相机7拍摄到气流图像的作用。但是，对于本领域的技术人员来说，示踪粒子的选择可以有多种方案，只要是能够挥发成跟随性和流动性良好的示踪粒子烟雾的固体颗粒即可，例如将烟雾发生器5中煤油的固体颗粒换做甘油的固体颗粒也是可以的，因此，本发明对于示踪粒子的具体成分不做限定。 

并且，为了令流体通道6内的示踪粒子分布均匀，本实施例中的研究装置还包括用于调节流体通道6内的烟雾浓度的调压装置3，该调压装置3位于流体通道6外，并且烟雾发生器5与流体通道6分别通过导线与调压装置3连接。需要进一步说明的是，此处的调压装置3主要包括一个电压可调的变压器，且对烟雾发生器5进行0-220V之间的电压电源的供电，通过调节电炉电压，以调节其加热速度，从而调节示踪粒子的挥发速度和散布速度，即达到调节流体通道6内的烟雾浓度的目的。 

由于传统的实验方式中，利用粒子成像技术进行流场测量时，采用向流 体通道中直接充入气体的方法，容易造成烟雾浓度的不均匀分布，而本发明实施例中将烟雾发生器5直接设置于流体通道6内，不仅令实验操作更为简便，而且可以通过调压装置3对示踪粒子的浓度进行有效控制，即通过调压装置3调节电炉温度，保证整个流体通道内的示踪粒子适中且成均匀散布。 

在本实施例中，高压电源1的开关10具有电压幅值不同的不同档位，且为了进一步优化上述技术方案，高压电源1采用脉宽调制的控制方式，且开关10具有电压频率不同的不同档位。例如，高压电源1的开关10分成三个档位，例如，低档18kv、中档19kv、高档20k，分别开启三个档位，实现电压幅值和频率变化的微小波动。但是，对于高压电源1的开关10的档位个数和各档位对应的电压幅值及频率大小，本发明不做限定。 

此外，本发明还提供了一种离子风气流特性研究方法，该研究方法包括以下步骤： 

步骤一：布置并连接好离子风气流加速装置和粒子成像测量装置，其中，令所述粒子成像测量装置的CCD相机7的镜头方向和激光光头2发出的片光源方向分别与离子风气流加速装置的流体通道6内的待测区域垂直布置； 

步骤二：开启离子风气流加速装置和粒子成像测量装置，令离子风气流加速装置的高压电源3的直流电压恒定，改变交流分量的幅值和频率，粒子成像测量装置则拍摄下待测区域在不同电压幅值和频率下的图像并记录实验数据，通过所述实验数据和所述图像分析待测区域中的离子输运能力的改变； 

步骤三：将离子风气流加速装置在不同频率和/或不同幅值的电压下测得的离子风速的实验数据进行处理，得到电压波动下的离子风速变化的曲线。 

在进行离子风气流加速装置的测定时，如图2所示，首先调节实验装置的可靠性和稳定性。将气流加速装置放到流体通道6内部，透明密封，调节CCD相机7的位置，使整个装置能在CCD相机7的拍摄范围之内清晰。调节好拍摄装置后，进行示踪粒子的散播，根据示踪粒子的选择原则，跟随性和流动性良好，采用固体颗粒煤油。烟雾发生器5，通过一个调压装置3对示踪粒子的浓度进行有效控制，通过调压装置3的不同变化，保证整个流体通道内的示踪粒子成均匀散布，示踪粒子浓度适中。烟雾发生器5与流体通道6 通过导线与外部调压装置3进行连接，实现对烟雾浓度和示踪粒子分布的均匀性的控制。 

采用粒子成像技术时，首先要将对离子风气流加速装置通电测试，调节离子风气流加速装置中高压电源1的开关10使其能正常产生离子风；其次，要按照测量试验要求，对测试系统进行软件和硬件系统参数设置，并调整离子风气流加速装置的流体通道6、激光光头2、CCD相机7三者位置，使CCD相机7的镜头方向和流体通道6的待测区域保持垂直，激光光头2能够发出片光源且能够照亮整个流体通道6内的待测流场，即激光光头2发出的光源方向和流体通道6的待测区域保持垂直；第三，要对示踪粒子的浓度进行调试，向离子风气流加速装置中散播示踪粒子，打开离子风气流加速装置的高压电源1的开关10，反复调试实验，保证示踪粒子的大小和浓度适合实验条件；此外，实验过程应保证流体通道6的密闭性和周围实验环境的温度稳定性，以此，保证实验能够拍摄到清晰的流场图像。 

CCD相机7在三个不同档位抵挡、中档、高档的电压变化下的离子风速的变化情况如图3所示。高压电源1采用PWM(Pulse Wavelength Modulation，脉冲宽度调制)的控制方式，实验中，高压电源1的直流电压恒定，通过改变交流分量的幅值和频率，实验分析其对离子的输运能力的改变。 

实验参数如下：电晕极和集电极之间的距离d=12mm，高压电源1直流偏压Vdc=18Kv，PWM周期为55μs、50μs、46μs，脉宽为10μs的流场变化均可由拍摄到的图片显示，从而可以看出随着电压的波动，即幅值和频率的变化，气流的大小和方向也呈现不同变化。 

一个实验实施例中，当PWM周期为46μs，脉宽为10μs，极间距离在d=12mm时离子风速度分布的矢量图如图3。上述矢量图中，箭头所指方向代表气流流向，从矢量图可知，气流整体趋势成水平流动状态，竖直方向的气流速度很少（少量的气流速度是由于电磁干扰产生的实验误差）。 

将离子风气流加速装置高压电源1的PWM不同周期和幅值下测得的离子风速的实验数据进行处理，得到其电压微小波动下的离子风速变化的曲线，如图4所示。当电晕极11和集电极12之间的距离d=12mm，高压电源1直流 偏压Vd=18Kv上叠加一幅值和频率可变的交流电压时，PWM周期改变时，流场放电场域主要分布在电晕极11附近，即电离区；集电极周围的放电场域很微弱，尤其是越靠近集电极周围，即在漂移区内，离子风速几乎全部为0；且气流方向基本呈现稳定趋势，即从电晕极方向流向集电极方向。离子风气流加速装置其机理的本质是空气分子发生电晕放电诱导其它分子发生电离的过程。只有在电晕极所加电压满足“起晕电压”才能形成电晕极的电离区，在电晕极所加电压小于弧光电压时，电压越高，电离放电产生的离子将越多，相应的离子浓度将会更高，离子的输运能力将会更强，产生的气流量将会更大，宏观上表现为离子风速的增加。 

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。