專利名稱：離子風氣流加速裝置和離子風氣流特性研究裝置的制作方法
技術領域：
離子風氣流加速裝置和離子風氣流特性研究裝置技術領域[0001]本實用新型涉及氣體放電領域，特別涉及一種離子風氣流加速裝置以及一種離子風氣流特性研究裝置。
背景技術：
[0002]在曲率半徑大小相差極大的電暈極和集電極之間施加高壓，誘導在曲率半徑小的電極附近的空氣電離，即為所謂的電暈放電現象。離子風氣流加速裝置即是通過利用空氣放電時的離子運動產生氣流并帶動周圍中性氣體分子運動實現氣流加速。離子風空氣加速器機理的本質是空氣分子發生電暈放電，誘導空氣中的中性粒子發生電離并產生氣流運動的過程。[0003]自1709年英國人Hauksbee發現離子風現象以來，許多學者都曾對該現象進行過研究，直到兩個世紀后，才初步建立了對離子風效應的理論解釋。[0004]提高離子風速是近年來國際離子風研究領域中的前沿課題，為了提高離子風空氣加速裝置的氣流速度，國際學術界已經發表了針-板式、線-板式、線-管式、線-線式、 針-環式、線-筒式等結構的離子風發生裝置技術成果。各國學者對離子風技術的研究主要側重在極間電壓和電極結構等方面，極間電壓主要包括脈沖電壓、直流電壓和高頻高壓等； 電極結構主要有針-板電極結構、線-板電極結構、線-管電極結構等。此外，人們把離子風技術應用到氣動流控制、靜電除塵、空氣凈化、干燥、散熱等領域。[0005]但是，以往的離子風氣流特性的研究過程，具有如下局限[0006]a、將風速儀直接放入流體通道中，屬于接觸式擾動測量，對流場干擾極大；[0007]b、傳統的粒子成像技術進行流場測量時采用向流體通道中直接充入氣體的方法， 容易造成煙霧濃度的不均勻；[0008]C、傳統的離子風特性研究僅僅限于研究風速的單點或多點特性，無法顯示全流場；d、傳統的氣流加速裝置容易弓I起電磁干擾，產生尖端放電。[0010]因此，如何設計一種放電能力強且電磁干擾小的離子風氣流加速裝置，以及如何設計一種離子風氣流特性研究裝置，使能夠更為準確地研究氣流特性，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。實用新型內容[0011]有鑒于此，本實用新型提供了一種放電能力強且電磁干擾小的離子風氣流加速裝置，還提供了一種離子風氣流特性研究裝置，以此能夠更為準確地研究離子風氣流特性。[0012]為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案[0013]一種離子風氣流加速裝置，包括由電暈極和集電極構成的電極結構，以及在所述電暈極和所述集電極之間施加電壓的高壓電源，所述電極結構為線-板式放電形式，且所述電暈極包括芒刺型電暈線。[0014]優選地，在上述離子風氣流加速裝置中，所述電極結構采用四級電極結構，且所述芒刺型電暈線均勻布置。[0015]一種離子風氣流特性研究裝置，包括所述離子風氣流加速裝置，還包括用于粒子成像的測量裝置，所述測量裝置包括[0016]透明且密封的流體通道，所述電暈極和所述集電極均采用絕緣裝置進行固定，并且設置于所述流體通道內，所述高壓電源設置于所述流體通道外；[0017]用于在粒子成像過程中進行拍攝的CCD相機，所述CCD相機的鏡頭方向和所述流體通道內的待測區域保持垂直；[0018]激光器，所述激光器能夠發出片光源且照亮整個待測流場的激光光頭，所述片光源的照射方向和所述流體通道內的待測區域保持垂直；[0019]用于記錄并顯示測試數據的計算機；[0020]用于控制所述激光器發光且控制所述CCD相機拍攝的控制器，所述控制器與所述計算機相連。[0021]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，還包括設置于所述流體通道內，用于散布示蹤粒子的煙霧發生器。[0022]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，所述煙霧發生器包括電爐，以及煤油或甘油的固體顆粒，所述固體顆粒用開口容器盛裝，并放置于所述電爐上。[0023]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，還包括位于所述流體通道外，用以調節所述電爐電壓的調壓裝置。[0024]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，所述高壓電源的開關具有電壓幅值不同的不同檔位。[0025]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，所述高壓電源采用脈寬調制的控制方式，所述高壓電源的開關具有電壓頻率不同的不同檔位。[0026]優選地，在上述離子風氣流特性研究裝置中，所述流體通道的材料為有機玻璃。[0027]從上述的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的離子風氣流加速裝置中的電極結構采用線-板式，且 電暈極采用芒刺型電暈線，既可以達到放電能力增強的目的，又具有便于固定、電磁干擾小的特性。此外，本實用新型實施例提供的離子風氣流特性研究裝置，采用粒子成像的測量裝置對上述離子風氣流加速裝置中的氣流特性進行研究，該實驗數據通過控制器和計算機控制獲取，所有測試裝置均至于流體通道的外側，并通過圖像記錄全場氣流現象，實現了無擾動、非接觸式的測量，且可以顯示全流場特性，達到了準確地研究離子風氣流特性的目的。
[0028]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。[0029]圖1為本實用新型實施例提供的離子風氣流加速裝置的電極結構的結構示意圖；[0030]圖2為本實用新型實施例提供的離子風氣流特性研究裝置的布置結構示意圖；[0031]圖3為本實用新型一個實施例中得到的離子風速度分布的矢量圖；[0032]圖4為本實用新型一個實施例中得到的離子風速變化的曲線。
具體實施方式
[0033]本實用新型公開了一種放電能力強且電磁干擾小的離子風氣流加速裝置，還提供了一種離子風氣流特性研究裝置和方法，以此能夠更為準確地研究離子風氣流特性。[0034]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。[0035]請參閱圖1-圖4，圖1為本實用新型實施例提供的離子風氣流加速裝置的電極結構的結構示意圖，圖2為本實用新型實施例提供的離子風氣流特性研究裝置的布置結構示意圖，圖3為本實用新型一個實施例中得到的離子風速度分布的矢量圖，圖4為本實用新型一個實施例中得到的離子風速變化的曲線。[0036]本實用新型一具體實施例提供的離子風氣流加速裝置，包括由電暈極11和集電極12構成的電極結構，以及在電暈極11和集電極12之間施加高壓電的高壓電源1，該電極結構為線-板式放電形式，且電暈極11包括芒刺型電暈線111。[0037]電暈極11放電能力的好壞與電暈極11中放電線的尖角(既曲率)有關，電暈極11 的形式有多種，放電尖角越多則電暈的效果也就越好。芒刺型電暈線111是一種新結構的電暈線，利用薄鋼板彎折而成，并在鋼板的兩側設有與電暈線垂直的芒刺。芒刺型電暈線 111還具有較高的機械強度，且不易斷線，造價低廉。由于本實用新型實施例提供的離子風氣流加速裝置中的電極結構為線-板式放電形式，且電暈極采用芒刺型電暈線111，所以， 既可以達到放電能力增強的目的，又具有便于固定、電磁干擾小的特性。[0038]在本實施例中，放電形式采用四級電極結構，即具有四個電暈極的電極結構形式， 其放電能力大大增強。此外，本實施例中的芒刺型電暈線111均勻布置，以得到均勻分布的放電場，便于實驗數據的處理與分析，得到更為準確地測試結果。[0039]本實用新型還提供了一種離子風氣流特性研究裝置，該研究裝置包括上述實施例中提供的離子風氣流加速裝置，還包括用于粒子成像的測量裝置，該測量裝置包括流體通道6、CCD (Charge-coupled Device,電荷稱合元件)相機7、激光器4、計算機8和控制器9。[0040]其中，流體通道6為透明且密封的有機玻璃，優選其厚度為5mm，且為 40cm*40cm*40cm的正方體。但是,本領域的技術人員容易想到的是,流體通道6的尺寸并不限于此，并且材質也不僅限于有機玻璃，只要是便于觀察和拍攝流體通道6內示蹤粒子的透明材質即可，本實施例提供的流體通道6的具體尺寸及材質僅為優選方案，因此，本實用新型對此不作限定。[0041]其中，電暈極11和集電極12均采用絕緣 裝置進行固定且設置于流體通道6內，以使得電場分布均勻，離子風速穩定；CCD相機7用于在粒子成像過程中對流體通道6內的示蹤粒子進行拍攝，因此，CCD相機7的鏡頭方向和流體通道6內的待測區域保持垂直；激光器4具有能夠發出片光源且照亮整個待測區域的激光光頭2，該激光光頭2發出的片光源方向和流體通道6內的待測區域保持垂直；計算機8用于記錄并顯示測試數據；控制器9用于控制激光器4發光，同時控制CXD相機7照相，因此，激光器4與CXD相機7分別通過控制器9與計算機8相連。在進行實驗研究時，離子風氣流特性研究裝置具體的布置方式及各裝置之間的位置關系請參閱圖2。[0042]由于本實用新型實施例提供的離子風氣流特性研究裝置，采用粒子成像技術的測量裝置對上述離子風氣流加速裝置中的氣流特性進行研究，該實驗數據通過控制器9和計算機8控制獲取，并且所有測試裝置均至于流體通道6的外側，可以通過圖像記錄全場氣流現象，因此，實現了無擾動、非接觸式的測量，且可以顯示全流場特性，達到了準確地研究離子風氣流特性的目的。[0043]為了進一步優化上述技術方案，本實用新型還包括用于散布示蹤粒子的煙霧發生器5，該煙霧發生器5設置于流體通道6內。在本實施例中，煙霧發生器5包括電爐，以及煤油的固體顆粒，該固體顆粒用開口容器盛裝，并放置于電爐上。當電爐通電加熱時，煤油的固體顆粒便揮發成氣態粒子，即煙霧，散布到流體通道6內成為示蹤粒子，當離子風氣流加速裝置中產生離子風時，該示蹤粒子則起到便于CCD相機7拍攝到氣流圖像的作用。但是，對于本領域的技術人員來說，示蹤粒子的選擇可以有多種方案，只要是能夠揮發成跟隨性和流動性良好的示蹤粒子煙霧的固體顆粒即可，例如將煙霧發生器5中煤油的固體顆粒換做甘油的固體顆粒也是可以的，因此，本實用新型對于示蹤粒子的具體成分不做限定。[0044]并且，為了令流體通道6內的示蹤粒子分布均勻，本實施例中的研究裝置還包括用于調節流體通道6內的煙霧濃度的調壓裝置3，該調壓裝置3位于流體通道6外，并且煙霧發生器5與流體通道6分別通過導線與調壓裝置3連接。需要進一步說明的是，此處的調壓裝置3主要包括一個電壓可調的變壓器，且對煙霧發生器5進行0-220V之間的電壓電源的供電，通過調節電爐電壓，以調節其加熱速度，從而調節示蹤粒子的揮發速度和散布速度，即達到調節流體通道6內的煙霧濃度的目的。由于傳統的實驗方式中，利用粒子成像技術進行流場測量時，采用向流體通道中直接充入氣體的方法，容易造成煙霧濃度的不均勻分布，而本實用新型實施例中將煙霧發生器5直接設置于流體通道6內，不僅令實驗操作更為簡便，而且可以通過調壓裝置3對示蹤粒子的濃度進行有效控制，即通過調壓裝置3調節電爐溫度，保證整個流體通道內的示蹤粒子適中且成均勻散布。[0046]在本實施例中，高壓電源I的開關10具有電壓幅值不同的不同檔位，且為了進一步優化上述技術方案，高壓電源I采用脈寬調制的控制方式，且開關10具有電壓頻率不同的不同檔位。例如，高壓電源I的開關10分成三個檔位，例如，低檔18kv、中檔19kv、高檔 20k，分別開啟三個檔位，實現電壓幅值和頻率變化的微小波動。但是，對于高壓電源I的開關10的檔位個數和各檔位對應的電壓幅值及頻率大小，本實用新型不做限定。[0047]基于上述離子風氣流特性研究裝置，本實用新型中應用的離子風氣流特性研究方法，包括以下步驟[0048]步驟一布置并連接好離子風氣流加速裝置和粒子成像測量裝置，其中，令所述粒子成像測量裝置的CCD相機7的鏡頭方向和激光光頭2發出的片光源方向分別與離子風氣流加速裝置的流體通道6內的待測區域垂直布置；[0049]步驟二 開啟離子風氣流加速裝置和粒子成像測量裝置，令離子風氣流加速裝置的高壓電源3的直流電壓恒定，改變交流分量的幅值和頻率，粒子成像測量裝置則拍攝下待測區域在不同電壓幅值和頻率下的圖像并記錄實驗數據，通過所述實驗數據和所述圖像分析待測區域中的離子輸運能力的改變；[0050]步驟三將離子風氣流加速裝置在不同頻率和/或不同幅值的電壓下測得的離子風速的實驗數據進行處理，得到電壓波動下的離子風速變化的曲線。[0051]在進行離子風氣流加速裝置的測定時，如圖2所示，首先調節實驗裝置的可靠性和穩定性。將氣流加速裝置放到流體通道6內部，透明密封，調節CCD相機7的位置，使整個裝置能在CCD相機7的拍攝范圍之內清晰。調節好拍攝裝置后，進行示蹤粒子的散播，根據示蹤粒子的選擇原則，跟隨性和流動性良好，采用固體顆粒煤油。煙霧發生器5，通過一個調壓裝置3對示蹤粒子的濃度進行有效控制，通過調壓裝置3的不同變化，保證整個流體通道內的示蹤粒子成均勻散布，示蹤粒子濃度適中。煙霧發生器5與流體通道6通過導線與外部調壓裝置3進行連接，實現對煙霧濃度和示蹤粒子分布的均勻性的控制。[0052]采用粒子成像技術時，首先要將對離子風氣流加速裝置通電測試，調節離子風氣流加速裝置中高壓電源I的開關10使其能正常產生離子風；其次，要按照測量試驗要求，對測試系統進行軟件和硬件系統參數設置，并調整離子風氣流加速裝置的流體通道6、激光光頭2、(XD相機7三者位置，使CXD相機7的鏡頭方向和流體通道6的待測區域保持垂直，激光光頭2能夠發出片光源且能夠照亮整個流體通道6內的待測流場，即激光光頭2發出的光源方向和流體通道6的待測區域保持垂直；第三，要對示蹤粒子的濃度進行調試，向離子風氣流加速裝置中散播示蹤粒子，打開離子風氣流加速裝置的高壓電源I的開關10，反復調試實驗，保證示蹤粒子的大小和濃度適合實驗條件；此外，實驗過程應保證流體通道6的密閉性和周圍實驗環境的溫度穩定性，以此，保證實驗能夠拍攝到清晰的流場圖像。CCD相機7在三個不同檔位抵擋、中檔、高檔的電壓變化下的離子風速的變化情況如圖3所示。高壓電源I采用PWM(Pulse Wavelength Modulation,脈沖寬度調制)的控制方式，實驗中，高壓電源I的直流電壓恒定，通過改變交流分量的幅值和頻率，實驗分析其對離子的輸運能力的改變。[0054]實驗參數如下電暈極和集電極之間的距離d=12mm，高壓電源I直流偏壓 Vdc=18Kv, PWM周期為55μ s、50l·! S、46y S，脈寬為10 μ s的流場變化均可由拍攝到的圖片顯示，從而可以看出隨著電壓的波動，即幅值和頻率的變化，氣流的大小和方向也呈現不同變化。[0055]一個實驗實施例中，當PWM周期為46 μ S，脈寬為10 μ s，極間距離在d=12mm時離子風速度分布的矢量圖如圖3。上述矢量圖中，箭頭所指方向代表氣流流向，從矢量圖可知， 氣流整體趨勢成水平流動狀態，豎直方向的氣流速度很少(少量的氣流速度是由于電磁干擾產生的實驗誤差)。[0056]將離子風氣流加速裝置高壓電源I的PWM不同周期和幅值下測得的離子風速的實驗數據進行處理，得到其電壓微小波動下的離子風速變化的曲線，如圖4所示。當電暈極11 和集電極12之間的距離d=12mm，高壓電源I直流偏壓Vd=18Kv上疊加一幅值和頻率可變的交流電壓時，PWM周期改變時，流場放電場域主要分布在電暈極11附近，即電離區；集電極周圍的放電場域很微弱，尤其是越靠近集電極周圍，即在漂移區內，離子風速幾乎全部為O ; 且氣流方向基本呈現穩定趨勢，即從電暈極方向流向集電極方向。離子風氣流加速裝置其機理的本質是空氣分子發生電暈放電誘導其它分子發生電離的過程。只有在電暈極所加電壓滿足“起暈電壓”才能形成電暈極的電離區，在電暈極所加電壓小于弧光電壓時，電壓越 高，電離放電產生的離子將越多，相應的離子濃度將會更高，離子的輸運能力將會更強，產生的氣流量將會更大，宏觀上表現為離子風速的增加。[0057]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求1.一種離子風氣流加速裝置，包括由電暈極(11)和集電極(12)構成的電極結構，以及在所述電暈極(11)和所述集電極(12)之間施加電壓的高壓電源(1)，其特征在于，所述電極結構為線-板式放電形式，且所述電暈極(11)包括芒刺型電暈線(111)。
2.根據權利要求1所述的離子風氣流加速裝置，其特征在于，所述電極結構采用四級電極結構，且所述芒刺型電暈線(111)均勻布置。
3.一種離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，包括權利要求1或2所述的離子風氣流加速裝置，還包括用于粒子成像的測量裝置，所述測量裝置包括 透明且密封的流體通道(6)，所述電暈極(11)和所述集電極(12)均采用絕緣裝置進行固定，并且設置于所述流體通道(6)內，所述高壓電源(I)設置于所述流體通道(6)外； 用于在粒子成像過程中進行拍攝的CCD相機(7)，所述CCD相機(7)的鏡頭方向和所述流體通道(6)內的待測區域保持垂直； 激光器(4)，所述激光器(4)能夠發出片光源且照亮整個所述待測區域，所述片光源的照射方向和所述流體通道(6)內的所述待測區域保持垂直； 用于記錄并顯示測試數據的計算機(8)； 用于控制所述激光器(4)發光且控制所述CCD相機(7)拍攝的控制器(9)，所述控制器(9)與所述計算機(8)相連。
4.根據權利要求3所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，還包括設置于所述流體通道(6)內，用于散布示蹤粒子的煙霧發生器(5)。
5.根據權利要求4所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，所述煙霧發生器(5)包括電爐，以及煤油或甘油的固體顆粒，所述固體顆粒用開口容器盛裝，并放置于所述電爐上。
6.根據權利要求4所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，還包括位于所述流體通道(6 )外，用以調節所述電爐電壓的調壓裝置(3 )。
7.根據權利要求3所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，所述高壓電源(I)的開關(10)具有電壓幅值不同的不同檔位。
8.根據權利要求3所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，所述高壓電源(I)采用脈寬調制的控制方式，所述高壓電源(I)的開關(10)具有電壓頻率不同的不同檔位。
9.根據權利要求3-8任一項所述的離子風氣流特性研究裝置，其特征在于，所述流體 通道(6)的材料為有機玻璃。
專利摘要本實用新型公開了一種離子風氣流加速裝置，包括由電暈極和集電極構成的電極結構，以及在電暈極和集電極之間施加電壓的高壓電源，電極結構為線-板式放電形式，且電暈極包括芒刺型電暈線，其放電能力強、電磁干擾小。本實用新型還公開了一種離子風氣流特性研究裝置。本實用新型通過粒子成像技術能夠實現無擾動、非接觸式測量的目的，從而較為準確地研究離子風氣流特性，并且，本實用新型通過不同檔位的電壓變化研究離子風氣流特性，并通過處理實驗數據得到電壓波動下的離子風速變化的曲線，從而進一步分析離子風在不同電壓下的全流場氣流特性。
文檔編號G01M10/00GK202839525SQ20122047659
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者莊蒙蒙, 張德軒, 孔春林, 劉杰, 朱繼保, 任燕 申請人:杭州天明環保工程有限公司