EHD二次流与亚微米颗粒捕集：线板式静电除尘器效率真的会下降吗？

基于McMaster University团队的数值模拟，重新审视电流体力学(EHD)对亚微米与超细颗粒荷电及收集效率的影响

关键词
Electrohydrodynamic secondary flow; ultrafine and submicron dust particles; partial collection efficiency; diffusion and field charging; PM2.5; 静电除尘器

在“双碳”目标和超低排放持续推进的背景下，静电除尘器（ESP）在控制PM2.5及以下超细颗粒方面面临新的技术挑战。近年来，围绕电流体力学（Electrohydrodynamics, EHD）诱导的二次流对静电除尘效率的影响，业内一直存在分歧：一方面，有实验表明强烈的EHD湍流会强化粉尘再飞扬，从而降低除尘器整体性能；另一方面，也有研究指出EHD二次流可能通过延长颗粒在场区的停留时间、改变亚微米颗粒荷电过程而提升细颗粒收集效率[10–16]。在这一争论背景下，如何定量评估EHD流对亚微米和超细粉尘收集效率的真实影响，成为静电除尘技术升级中的关键问题之一。

本文解读的工作来自加拿大McMaster University团队（D. Brocilo, A. Berezin, J.S. Chang 等），题为“Effect of the EHD Flow on Particle Surface Charging and the Collection Efficiency of Submicron and Ultrafine Dust Particles in Wire-plate Type Electrostatic Precipitators”[22–24]。研究聚焦线板式ESP，在0.01–10 μm粒径范围内，通过数值模拟评估EHD二次流对颗粒表面荷电和分级收集效率（partial collection efficiency）的影响，尤其是对亚微米与超细颗粒的真实贡献。

作者首先回顾了电流体力学在ESP中的基本物理过程：当ESP施加高压并超过电晕起始电压后，电晕线附近产生大量单极离子，这些离子在电场力驱动下向接地极板运动，与中性气体分子频繁碰撞，将动量传递给气体，形成所谓的“电风”或EHD流[10]。在传统工况下，人们通常采用主流速度与雷诺数来描述气流场，而在存在强电晕电流时，EHD数Ehd与Re²的比值（Ehd/Re²）成为衡量EHD二次流强弱的关键无量纲参数[11]。当Ehd/Re²超过一定阈值时，ESP极板通道内会形成明显的前向尾流、Von Kármán涡街等复杂流型，改变粒子轨迹，进而影响静电除尘效率[11–14,22–23]。

本研究采用典型线板式ESP几何：放电极为直径1 mm圆线，两侧为极板间距10 cm的平板电极，极板高度20 cm、长度60 cm。入口主气流速度设定为0.2 m/s，施加负极性电压，范围0–29 kV。数值模拟部分采用了两套互补的EHD流场与放电模型：Zhao & Adamiak模型[22]利用有限元与特征线法耦合求解电场与离子空间电荷分布，并结合Peek经验式和Kaptzov假说确定电晕线边界条件；Chun等[23]则引入了Chen–Kim修正k–ε湍流模型，对EHD诱导的涡结构进行更细致处理，并采用一维圆柱坐标近似来拟合线板间电场与离子浓度分布。通过这两种方法，研究者获得了不同电压与EHD数条件下的电场强度、离子密度和气流速度二维分布，并进一步换算为沿程的截面平均值。

在颗粒荷电与收集效率计算方面，作者将粒径范围划分为自由分子区(Kn>10)、过渡区(0.1获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/

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