一种利用出口电荷密度来优化消电器含针气道结构的方法与流程

本发明属于静电消除领域，尤其涉及一种用于消电器含针气道结构的设计及优化方法。

背景技术：

1、气源型静电消除器(简称消电器)，如离子风棒、离子风嘴等已广泛应用于各个工业领域的静电消除作业中。

2、消电器消电过程中的离子气流运动特征，极大地影响着消电效果。

3、消电器所产生的离子气流，是包含着电极针高压放电这一物理过程的电流体运动，是区别于单纯压缩气流运动状态(消电器只通压缩空气，不通电工作，此为单一物理场)的多物理场运动；即，电极针处的高压放电对喷嘴或电极针座所形成的气道内的压缩气流的运动状态有着极大地影响。

4、而消电器含针气道结构，对高压放电和离子气流的物理特征均会产生至关重要的作用，需要深入研究。

5、本技术人此前申请的，授权公告日为2020年10月30日，授权公告号为cn211831302u的实用新型专利，公开了一种用于离子棒的放电电极组件，其放电极组件包括放电极、电极套和电极座；放电极与电极套套装设置，电极套的首端与电极座连接，电极套的末端与离子棒中的线路板连接；在电极座中设置有气道；放电极的纵向轴线与气道的纵向轴线重合；气道包含依次连接的进气段、混合段、收缩段、喉口和扩张段；扩张段的末端构成电极座的气道出口；气道出口为一个喇叭状开口结构。其通过优化进气结构、气道结构、出气结构以改善离子化气流的输出状态，使离子棒在沿其长度方向上各个放电电极组件的输出气量均匀，在同一垂直测试距离上，离子棒两侧水平方向上气流运动状态一致，能取得更均衡、更快速的静电消除效果和获得角度更大的消电范围。

6、明显地，上述现有技术方案在进行消电器含针气道结构的设计时，只关注到了喷嘴或电极针座气道的机械结构对压缩气流运动特性的影响，通过优化、改进、设计出不同的气道结构，来提升消电器特定的气流运动性能：如：使气流速度更快，或气流扩散范围更广等。

7、但是现有技术方案中存在着以下问题：

8、1)不同的气道结构，会对高压放电产生不同的影响，进而连带影响压缩气流的运动；因此，只对气道结构与压缩气流运动特性这单一相关性关系进行研究，是片面的，甚至是非常不准确的。

9、2)针对气道结构，目前还没有进行过系统归纳性的研究，没有深入、全面的了解到不同气道类型的流动规律，不利于消电器消电性能的优化、提升。

10、如何才能高效、便捷的设计出消电能力最大化的最佳气道结构类型，进一步优化、改进、提升消电器产品的性能，节省时间和研发成本，是实际设计工作中急待解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种利用出口电荷密度来优化消电器含针气道结构的方法。将整个含针气道(包含内置于气道内的电极针结构)，作为求解域，建立电流体场物理模型，将电极针处的高压放电场(包含高压静电场和电荷输运场)耦合进入已求解的压缩气射流场，进行有限元计算求解，结合出口离子气流速度、入口气流压力，进行综合研判，选出其中出口空间电荷密度最大分布所对应的含针气道结构模型。其以出口电荷密度(也即离子密度)这一影响消电器消电性能的直接、本质参数作为关键标准(输出的电荷密度越大，用于消电的离子量也越多，也极有利于消电速度的提升)，来判定含针气道结构设计的合理性。

2、本发明的技术方案是：提供一种利用出口电荷密度来优化含针气道结构的方法，其特征是包括下列步骤：

3、1)构建至少两种消电器含针气道的结构模型；

4、2)将整个含针气道作为求解域，分别对所述的至少两种含针气道结构建立电流体场物理模型；

5、3)根据实际物理过程，合理设定模型的边界条件和/或参数；

6、4)对求解域划分网格；

7、5)将电极针处的高压放电场耦合进入已求解的压缩气射流场，进行有限元计算求解；

8、6)分别得到所述至少两种含针气道结构的出口气流速度、入口气流压力以及出口空间电荷密度分布数据；

9、7)对所述至少两种含针气道结构的出口气流速度、入口气流压力及出口空间电荷密度进行比较，并分析电极针处的高压放电对原压缩气射流场的影响；

10、8)结合出口离子气流速度、入口气流压力，进行综合研判，在所述的至少两种含针气道结构中，选出其出口空间电荷密度最大分布所对应的一种含针气道结构，作为拟采用的含针气道结构模型。

11、具体的，在对求解域划分网格后，将压缩气射流场作为背景物理场，先行进行有限元计算求解；再将电极针处的高压电晕放电所形成的高压静电场与电荷输运场耦合到压缩气射流场中，最后得到电流体场分布。

12、进一步的，所述电极针处的高压放电场，包含高压静电场和电荷输运场。

13、具体的，在构建所述消电器含针气道的结构模型时，对结构模型采取二维轴对称简化处理。

14、进一步的，所述的求解域包含三个物理场：输入压缩空气形成的射流场、电极针施加高电压形成的高压静电场，以及电极针高压电晕放电形成的电荷输运场；所述的三个物理场相互作用，形成了高度耦合的电流体场。

15、其所述的输入压缩空气形成的射流场，采用适用于圆射流的realizable k-ε湍流模型进行描述：

16、

17、f＝ρe；

18、

19、

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、

32、

33、其中，sij为平均应变张量，ωij为旋转速率张量；cε2＝1.9，a0＝4，σk＝1，σε＝1.2均为模型系数；ρ为流体密度，f为电流体力。

34、其所述电极针施加高电压形成的高压静电场，采用静电场泊松方程进行描述：

35、

36、d＝ε0εre——介电本构关系；

37、

38、其中，e为电场强度，v为静电压，d为电位移，ρv为电荷密度，εr为相对介电常数，ε0＝8.854187817×10-12f/m为真空介电常数。

39、其所述电极针高压电晕放电形成的电荷输运场，采用电荷输运方程进行描述：

40、

41、j＝zqμiρve+ρvu

42、其中，j为电流密度(a/m3)，s为电流源(a/m3)，zq为电荷数，μi为离子迁移率(m2/v·s)，u为流场速度(m/s)。

43、进一步的，所述优化含针气道结构的方法，以出口电荷密度作为关键标准，来判定含针气道结构设计的合理性。

44、其所述的出口电荷密度即离子密度。

45、与现有技术比较，本发明的优点是：

46、1.本发明的技术方案，通过数值模拟试验，能够高效、便捷的得到使消电能力最大化的最佳含针气道结构类型；

47、2.采用本发明的技术方案，有助于对含针气道内的高压放电电流体运动进一步进行研究，为提升产品性能设计，提供了基础；

48、3.采用本发明的技术方案，能够低成本地确定含针气道结构的研制方向，也为进一步优化、改进及进行实际物理试验验证，节省了大量时间、物资和研发成本。