離子風是氣體放電產生的高能電子推動中性粒子運動，從而在宏觀上表現為流體的一種現象。由於離子風具有低噪聲、低功耗、響應速度快和無機械運動部件等優點，在過去的數十年中，離子風的研究和應用取得了很大發展。離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領域的廣泛應用，主要有食品乾燥、溫度控制、推進、助燃和空氣淨化等。離子風所具有的獨特優點使其應用前景光明，雖然離子風在很多領域還在實驗階段，並且一些關鍵問題還有待解決，但未來離子風的應用將會更加成熟。
離子風作為氣體放電的一種現象，其產生的方式主要有電暈放電和表面介質阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。也有研究者透過輝光放電產生離子風，但輝光放電是電暈放電提高電壓後產生的結果，其基本裝置圖與電暈放電相同。圖1所示為兩種典型離子風激勵器結構示意圖。基於電暈放電和SDBD的離子風發生裝置都是帶電粒子在電場作用下與空氣分子發生碰撞，進行動量交換從而產生離子風。
圖1 離子風激勵器基本結構示意圖
1 電暈放電
基於電暈放電的離子風激勵器，其電極含地電極和曲率較大的高壓電極，高壓電極與高壓直流電源相連。如圖2所示，典型電極結構有針-板式（圖2a）、針-網式（圖2b）、針-環式（圖2c）、線-板式（圖2d）、線-網式（圖2e）、線-筒式（圖2f）。高壓電極周圍存在不均勻電場，使得電極附近的氣體發生電離，產生的帶電粒子存在於高壓電極附近的很小的區域內，即“電離區”。電離區的帶電粒子在電場作用下向地電極運動，途經區域稱為“遷移區”。帶電粒子在運動過程中與空氣分子碰撞交換動量，從而產生氣體流動。
圖2 六種典型電暈放電電極結構示意圖
電暈放電按照所用電源電壓極性可分為正極性和負極性。無論是正極性還是負極性，離子風的方向總是由高壓電極指向地電極，這是由帶電粒子的運動方向決定的。基於電暈放電的離子風激勵器多為正極性，這是因為正電暈放電所產生的副產物較少。
需要指出的是，隨著電暈放電所施電壓升高，放電模式將經過電暈放電進入輝光放電階段。輝光放電的電子能量和放電電流都比電暈放電要高，所產生的離子風強度也更高。但輝光放電所需電壓等級接近火花放電，對電壓控制精度要求較高，因此基於輝光放電的離子風激勵器在實際中應用不多。
2介質阻擋放電
基於介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）的離子風激勵器裝置主要由封包電極（植入電極）與暴露電極（表面電極）構成，且封包電極被電介質材料包裹，如圖1b所示。高壓交流電源啟動後，暴露電極周圍產生的強電場將加速電極附近空氣中自由電子、離子與空氣分子碰撞。當電子能量達到閾值後，電子可以碰撞電離中性粒子，並使其釋放出新的電子。
釋放出的電子繼續與其他中性粒子發生碰撞電離。放電過程中，帶電粒子積聚在電介質上，形成表面電壓。該表面電壓可以有效補償施加的電壓，從而避免劇烈放電引起火花。當交流電壓切換極性時，電介質上的帶電粒子被加速，與空氣分子發生動量交換形成離子風。
基於DBD產生的帶電粒子在電場的作用下做定向運動，與空氣分子發生碰撞，進行動量交換，從而使暴露電極附近的空氣產生定向運動，形成離子風。離子風總是朝著遠離暴露電極的方向流動。
3 離子風的特點
離子風形態和風速共同決定了離子風的應用領域。不同的電極結構對離子風流場形態影響很大，國內外學者對典型電極結構下的離子風形態和風速進行了廣泛的研究。
現有的方法主要用模擬與實驗的研究離子風特性。模擬方法主要是忽略電離層的作用，透過帶電粒子所受靜電力作為體積力與N-S方程耦合進行模擬。若要進一步最佳化模型，可分割槽域計算電離區與遷移區模型。
實驗方法主要是直接測量風速與拍攝示蹤粒子。直接測量風速雖然能夠得到具體風速，但無法獲得離子風的流場分佈，並且測量精度受儀器精度影響大；由於示蹤粒子的運動速率與真實流場速率存在差異，不能反映真實的流場速率，但示蹤粒子可以直觀地反映離子風流場的分佈。
圖3a是透過高速相機拍攝的針-板式電暈放電產生的離子風視覺化照片。在圖中可以清楚地觀察到電離區和離子遷移區。電離區分佈在高壓針電極周圍，呈白色。由於電離區厚度與遷移區相比很小，因此在離子風數值模擬中，一般可忽略電離區的厚度。圖3b和圖3c是針-球、針-網電極的離子風視覺化照片。
圖3 三種電極結構下離子風激勵器流場
表1 典型電極離子風風速彙總
影響離子風速度的因素較多，主要有放電形式、電極結構和電壓等級。表1彙總了近年來國內外學者對典型電極結構下離子風風速的研究成果。可以看出，電極間距一般在20mm及以下，所施加電壓等級多在20kV以下，離子風風速一般小於8m/s。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“離子風的應用研究進展”，作者為張明、李丁晨 等。
