从电风到EHD两相流：针板负电晕下的流场真容

基于波兰科学院流体机械研究所与格丁尼亚海事大学的高时空分辨PIV实验解读

关键词
DC corona discharge,EHD,EHD flow,two-phase flow,flow imaging,ESP,PIV,静电除尘,工业烟气治理

在静电除尘器（ESP）和工业烟气治理领域，“电风”“离子风”这些耳熟能详的概念，实质上都属于电流体力学（Electrohydrodynamics，EHD）研究范畴。过去行业更多停留在宏观认识：加上电晕电场，带电粒子向极板运动，同时拖拽烟气形成气流。但针板间到底形成怎样的瞬态流场结构？两相流（烟气+粉尘）如何逐步演变为近似单相流？这些关键细节，直接关系到ESP内部流场优化、极配布置以及高效低阻运行，却长期缺乏可视化证据。

在 ICESP 2016 上，波兰科学院流体机械研究所（Centre for Plasma and Laser Engineering, The Szewalski Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences）与格丁尼亚海事大学（Gdynia Maritime University）的 A. Berendt 和 J. Mizeraczyk 团队[1–3]，利用高时间分辨粒子图像测速（Time-Resolved PIV），系统观察了针板负极性直流电晕下，空气–烟雾颗粒两相流在封闭小室中的完整演化过程，给出了典型 EHD 两相流“从无到有、由两相到单相”的结构化图景，对 ESP 内部EHD流动机理的理解具有重要启发意义。

研究对象选择了最接近ESP粉尘–烟气体系的两相流：静止空气中均匀分布的香烟雾粒子。初始粒子浓度约 4.5×10^5 个/cm³，可视为“高粉尘浓度”工况。试验采用亚克力封闭箱体（600 mm×120 mm×50 mm），内部布置单根不锈钢针极对不锈钢板极，极间距 25 mm。针尖半径约 75 μm，负高压经 3.3 MΩ 电阻施加，其电压以约 13.5 kV/s 的线性斜坡上升至 –12 kV 并保持恒定，这一设置既能捕捉电晕起始前后的瞬态，又可观测达到稳定电压后长期流动与颗粒沉降过程。

在这样的“理想模型 ESP”中，电场、空间电荷、载气分子以及悬浮颗粒（第二相）共同参与 EHD 演化。研究团队通过 2D 时序 PIV 对流场进行成像与测速：双腔 Nd:YLF 激光器（527 nm，30 mJ/脉冲），配合高速 CMOS 相机（2560×1600，300 Hz 激光脉冲对重复频率，脉冲间隔 170 μs），空间分辨率达 0.6 mm×0.6 mm。香烟雾粒子既是两相流中的固相，又兼任PIV示踪粒子，使得瞬态流场结构得以高保真重建。

从电压开始上升到电晕真正起燃约有 290 ms 延迟，研究团队以 EHD 粒子流开始出现的时刻作为 t=0，随后在毫秒到数十秒尺度上跟踪流场演化。一个非常关键的发现是：在封闭空间、初始静止的两相流条件下，EHD 流并非简单地单向稳态“离子风”，而是经历了四个可清晰区分的两相流瞬态阶段，最终才过渡到近似单相的稳态 EHD 流。

第一个阶段是“两相自由射流阶段”。在 t≈2.5 ms 时，针尖附近率先出现烟雾粒子被清空的暗区，呈典型“蘑菇云帽”形态，被作者称为“蘑菇状微射流”。其前沿速度仅约 0.1 m/s，说明 EHD 驱动刚刚开始，由针尖附近强电场产生的空间电荷力局部推动载气与颗粒。到 t≈10 ms，第二个蘑菇状微射流生成，多个“蘑菇帽”沿着针板间通道自针极向板极方向并行前进，其前沿被推挤集聚的烟雾形成亮带，这其实是颗粒被“扫前锋”汇集的效果。随着时间推进到 80 ms 左右，自由射流区域内多个蘑菇状结构连续产生、放大并向下游推进，射流核心速度逐渐提升到约 1 m/s，此时两相 EHD 流尚未触及下游壁面，基本可看作未受约束的自由射流。

第二个阶段是“两相壁面冲击射流初始阶段”。当时间推进到 90–100 ms，射流前沿首次抵达板极并产生冲击。PIV 显示，射流核心速度进一步提升到约 1.5 m/s，但在射流撞击点附近形成典型的滞止区，局部速度明显下降至 0.3–0.6 m/s。这一阶段对于理解ESP内板极附近的再悬浮与二次飞扬风险尤为关键：流速高但压力梯度大的滞止区，很可能对应现实设备中“易沉积、也易被二次扰动”的脆弱区域。

第三个阶段为“两相壁面冲击射流发展阶段”。随着射流持续冲击板极，在冲击点两侧形成一对结构高度对称、旋向相反的大尺度涡，分别沿板极表面向左右方向扩展。到 t≈183 ms，这对对称涡几乎占据了整个试验腔体的板极附近区域，说明 EHD 驱动的两相流已经不再局限于针板间的狭窄通道，而是发展成为“室内尺度”的循环结构。随后，这两个涡团继续沿着板极与箱壁移动，最终在 t≈650 ms 左右离开相机视野。此阶段的意义在于：它直接展示了在封闭容腔中由局部电晕产生的局部 EHD 射流，如何演变为覆盖整个容积的全局再循环流，这与实际ESP箱体截面内观测到的大尺度回流有着高度相似的拓扑特征。

第四个阶段是“完全发展两相 EHD 射流阶段”。当对称大涡离开视场后，射流在针板间形成稳定的高速通道，核心速度约 2.5 m/s，在此基础上，箱体内的整体循环仍存在，但结构较前一阶段更为平滑稳定。不过此时仍属于两相流阶段：香烟雾颗粒仍在源源不断被电场捕集到板极与箱壁上，但容器中还有相当数量的残留颗粒，既参与 EHD 作用，也为 PIV 提供可视化载体。

随着时间推进到秒级甚至几十秒级，持续的电晕放电导致颗粒浓度持续下降。试验数据显示，平均电晕电流从初始颗粒浓度 4.5×10^5 个/cm³ 时的约 15 μA，逐步上升到颗粒仅剩“痕量”（约 10^3 个/cm³）时的约 21 μA。这与行业经验高度一致：粉尘越多，空间电荷屏蔽和附加导电通路越显著，导致有效电压降低、电流受限；而颗粒被逐步捕集后，电晕恢复为接近“洁净气体”的状态，电流随之升高。研究以 t≈30 s 时刻为代表：此时箱内颗粒浓度仅为初始的约 1/450，EHD 行为几乎可视为单相流动。

在这一“近单相稳态阶段”，PIV 测得的流场已不再是单向的“针向板”射流，而是由两大对称涡占据箱体大部分空间，在针板中央形成较宽的高速通道，中心轴线速度可达约 3 m/s。换言之，当颗粒几乎全部被捕集后，同样的电晕条件下，载气流速较两相阶段明显提高，且流型由多级过渡结构收敛为稳定的双涡循环。对于 ESP 工程来说，这意味着：在高负荷、入口高粉尘浓度与低负荷、尾部低粉尘浓度之间，同一极板区域的 EHD 流型、局部流速以及流场均匀性都可能差异显著，简单以单一“稳态离子风”模型去拟合全工况，很容易低估设备在启停和负荷变化时的非稳态风险。

更重要的是，这项工作也从实验侧提醒行业：在两相 EHD 系统中，粒子浓度、电晕电流和流场结构之间存在耦合演化，特别是在封闭或者准封闭空间中，系统从两相向单相的过渡时间可以长达数十秒甚至更久。在此期间，电流、电压–电流特性曲线和流场都处在非稳态状态。如果在这样的非稳态窗口内去采集所谓“电压–电流特性”，很可能得到的是“瞬态特性”，而非代表设备真实长期运行的稳态特性[7–9]。对 ESP 设计参数标定、极配结构优化乃至节能运行策略的制定，都是不可忽视的技术细节。

从工业应用视角看，Berendt 和 Mizeraczyk 团队的研究虽然采用的是理想化的针板结构和香烟雾两相流，但其揭示的四阶段过渡路径——两相自由射流、两相壁面冲击初始、两相壁面冲击发展、完全发展两相EHD射流，再到近单相 steady-state EHD 流——为我们重新审视 ESP 内部复杂流动、空间电荷分布及粉尘迁移提供了一个可量化的参考框架。结合已有关于粉尘对电晕特性影响[10]和EHD 基础理论[2–8]，未来在大型板极 ESP 或多电场组合装置设计中，引入类似的高时空分辨 PIV 观测与数值仿真耦合，将有望在以下几个方向带来工程价值：一是极间距、极线布置与箱体截面形状的协同优化，以控制大尺度回流与“死区”；二是针对启停和负荷阶跃过程的 EHD 瞬态管理，减少尘饼扰动和二次扬尘；三是结合低温等离子体脱硝、协同脱汞等新型烟气治理技术时，对放电–流场–反应多物理场的统一设计。

总的来看，这项工作把过去更多停留在理论和感性描述层面的 EHD 两相流动，用高时空分辨实验“具象化”呈现出来，既是对电风经典概念的现代化拓展，也是 ESP 行业在向高效率、低能耗和高稳定性迈进过程中，一块值得反复咀嚼的基础“拼图”。

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参考文献
[1] Berendt A, Mizeraczyk J. Flow structures of an electrohydrodynamic two-phase fluid flow in a needle-to-plate negative DC corona discharge. In: ICESP 2016, Wrocław, Poland, 19–23 September 2016.
[2] Mizeraczyk J, Berendt A, Podlinski J, Niewulis A. Electrohydrodynamic particle flow in a needle-to-plate negative corona discharge. Int J Plasma Environmental Science & Technology. 2016;10:57–62.
[3] Mizeraczyk J, Berendt A, Podlinski J. Transient structures of electrohydrodynamic particle flow in a negative DC needle-to-plate corona discharge. J Phys D: Appl Phys. 2016;49:205203.
[4] Chang JS, Lawless PA, Yamamoto T. Corona discharge processes. IEEE Trans Plasma Sci. 1991;19:1152–1166.
[5] Podlinski J, Niewulis A, Mizeraczyk J, Atten P. Effect of particle concentration on corona discharge current in two-phase flows. J Electrostat. 2008;66:246–253.