摘要：针对高压静电雾化的作用原理，以提升静电雾化的雾化效率为最终目标，加入了磁场，以磁电耦合的方式来达到提高雾化效率的目的。以磁场加电场为主要研究对象，以喷针在磁场与电场中的液滴变化形态以及粒径密度为参考，通过有限元软件对磁场与电场进行数值模拟，观察液滴在微观状态下的运动模式，进行电场与磁场的调整。自行设计和构建了实验装置，通过对不同参数状态下的液滴进行分析，以净化实验腔室内CO的浓度作为评判指标，从而验证磁电耦合作用及改进后机械装置的可行性，实验表明，磁电耦合装置的设计增加了静电雾化的整体雾化效率，在同等条件下，其净化CO浓度降低了11%，雾化颗粒的分布密度也提高了5%左右。

　　关键词：磁电耦合；静电雾化；净化空气；雾化效率；液滴形态

　　0引言

　　在疫情的大背景下，由于新冠病毒的影响，人们对于身体健康以及生活环境的要求也越来越高，保持工作及生活环境的空气质量也就可以避免更多的病毒产生，目前市场上有许多的空气净化产品，但受其工作环境及寿命的问题，其净化效率还有待提升。静电喷雾是近年来发展起来的一项新技术．在表面涂层[1]、乳液或超微细气雾剂生产、燃料喷雾[2]、微封装、喷墨打印机和胶体微推进器等领域都有着广泛的应用[3]，近些年更是有学者将其应用到雾化吸入等医疗领域[4]，而磁化水雾磁化水喷雾[5-8]由于磁化作用使得雾滴的润湿性能增强，并延长了其在空气中的存在时间，荷电水雾因水雾荷电感应原理使雾滴表面形成偶电层[7]，负电荷被喷嘴电极吸引，雾滴表面带有正电荷，改变了雾滴表面活性。磁电耦合作用则是在对普通液态水施加一定强度磁场，其形成的雾滴在磁电吸附力的作用下进行破碎，实现分子的团聚、雾化，进行相关的净化与降尘。磁化、荷电及磁电耦合作用的实质是改变水的表面张力[11-12]，进而改变尘粒与液滴接触时的润湿性能，从而实现理想的雾化效果。其作用过程的本质是改变水分子内部的氢键[13-14]，将水分子转化为单一水分子，两个聚合物的形式，在微观的角度下来进行对液体表面张力的改变，提高其雾化效率。

　　而对于机械装置的设计，由于单个喷针流量太小的问题，目前普遍使用的是多个喷针的喷洒模式，对于多个喷针的空间布局其喷嘴间的距离，电极的形状等都对其最终的雾化效果有很大的影响[9]，本文通过有限元软件进行分析，来确定最佳的喷针布局方式电极形状，从而进行后续的实验。

　　基于磁电耦合的作用理论，本文主要关注于磁场与电场的共同作用，运用有限元软件来进行磁场与电场对于液滴的共同作用，来确定最佳的电场与磁场的耦合模式，从而优化磁电耦合的具体参数，并对本次实验进行验证。

　　在实验环节，通过对磁电耦合参数的控制（荷电电压、磁场强度）来分析其最终对液滴的作用效果，通过对CO浓度的监测作为评判指标，最终试验结果表明，通过本实验装置进行的一系列实验，其耦合效果较好，对于空气的净化效率也有较为明显的提升。

　　1雾化液滴净化实验

　　1.1实验的提出

　　在磁场或者电场的作用下，水流经其作用区间或改变其基本性质，但对其基本性质的影响因素及具体参数的变化还有待深入研究。

　　雾化参数对磁化作用下降尘效果主要受到喷雾流的方向、雾滴粒径以及水流磁化时的流速等因素影响。磁场方向与喷雾水流方向的夹角不同，能够影响磁化水的性能。因此，喷雾在一定速度下进入磁场时，需要保证喷雾流的方向，以便获得最佳磁化水性能[15-16]。研究发现，雾流与磁场方向垂直时，磁化作用最强，磁化效果最佳。同时，水流磁化时需要保证其具有一定的流速，以使其对磁力线[17]进行切割。获得最佳磁化效果的水雾，在经由喷嘴喷出后，能够保证其获得较小的雾滴粒径，这对降低微细颗粒物的浓度有着重要作用。因此，选定最佳的喷雾流方向及水流磁化时的流速，有助于保证雾滴粒径的范围，从而保证其雾化效果。

　　因此，本次实验主要对液滴在磁场与电场的作用下液滴的雾化效率进行实验，其使用的强磁场的方向与液滴流动的通过改变磁场与电场的大小以及磁电耦合作用下液滴的雾化效率进行分析，进而得到其磁场与电场对其雾化效率的影响规律。

　　1.2实验装置

　　实验装置主要由高压电源、雾化喷头、雾化腔室、液体供给系统及气体浓度测量及磁场测量仪构成，其中雾化喷头的型号为自主设计，可以将磁场与电场分别进行组装。为保证实验的安全进行，需要对高压电源的负极进行接地处理，本次实验选用两毫米厚的多孔电极核电装置以及单一雾化喷头两种形式作为本次实验的荷电感应装置，检测装置主要由气体测量仪以及计算机组成，用于对磁场以及电场进行记录与测量，磁化水由磁性活水器及磁场感应线圈进行制作，其实验平台及实验装置如图1~2所示。

　　1.3实验步骤

　　本次实验主要用水为自来水，水质参数如表1所示。

　　整个实验系统主要采用感应荷电[18]的方式，雾化效果能否达到最佳，会受到雾滴粒径范围的影响。对于水的雾化效果，主要受到水压、喷头及静电作用等因素的影响。其中，静电作用对于转盘雾化条件下雾滴粒度的表达式[19-20]为：

　　d=K*/U0.386          （1）

　　式中：d为雾滴直径，m；K*为雾化常数，V/m；U为充电电压，V。

　　由式（1）可知，充电电压是雾滴粒径唯一的影响因素。因此，在合理的条件下和范围内，为保证最佳雾化效果，雾滴粒径范围可通过对充电电压的调节来实现，在保证其他条件不变的情况下，其喷针的位置对最终的雾化效果也有很大的影响，即雾化喷针位于电极的正中央，其喷针下表面与电极下表面平齐（垂直误差±0.3 mm）。本次实验共有两种实验装置，一种为单一喷头进行雾化，保证其位置相对固定，由于其设计时已固定电极与喷针的相对位置，所以在保证其实验环境稳定的前下只考虑荷电电压，磁场强度以及两者共同作用对液滴雾化的影响；另一种为多孔多电极实验装置，其相关参数与单一喷头类似，只是其电场的作用方式不同。其磁化水的制备有两种方式，一种为将水注入磁化活水器中进行磁化；另外一种为永磁体进行磁化。最后对比两种此话模式下液滴的雾化效率来确定最后的磁化方式，实验过程中将制备或者通过磁场的水经蠕动泵泵入喷针中，并在此期间调整喷针与电极的位置关系，使喷针处于电极的正中央，并且喷针的下表面与电极下表面处于同一水平线上，保持磁场强度不变，依次改变荷电电压大小记录开始进行雾化的电压值与液滴雾化临界值的电压区间，改变磁场强度进行交叉实验，记录各参数状态下液滴的雾化效率。

　　2雾化实验结果分析

　　本文通过对同一CO浓度的净化率进行对雾化效率进行评估，控制CO起始浓度为200×10-6，其浓度变化由气体检测仪测得，雾化液滴作用时间为10 min，通过对10 min后CO的最终浓度进行检测来评估其雾化效率，实验通过对仅磁化液滴、仅荷电液滴以及磁电耦合作用下的液滴进行对比，来进行对实验结果的分析。起始CO浓度如图3所示。

　　2.1磁化液滴对雾化效率的影响

　　在本次实验，仅仅加入磁场，依次升高磁场强度，本次使用永磁体进行试验，型号分别为N35、N38、N40、N50、N52的圆环形磁铁，其磁场强度由磁场测试仪具体测定，观察其液滴对相同浓度烟雾的净化时间，其10 min后净化效果如表2所示。由表可知，当仅仅施加磁场对液滴进行作用时，随着磁场的增大，最终CO的浓度随之降低，但降低的幅度并不明显，说明磁场对液滴表面张力的改变并没起主导作用，其最终CO浓度下降率为27.5%。

　　2.2荷电液滴对雾化效率的影响

　　在本次实验，通过改变其荷电电压大小来观察最终的雾化效率，荷电电压依次升高，根据其雾化效果。来调节其具体的电压值，设定区间为0.25 kV进行一次记录。观察其液滴10 min对相同浓度CO的净化效果，其最终净化效果如表3所示。由表可知，当仅仅施加荷电电压时，其CO最终浓度随电压的升高其浓度降低，并且其浓度下降速率提升比较明显，证明单一电场作用下，电场对液滴表面张力的影响占主导地位，其最终CO浓度下降率为62.5%。

　　2.3磁电耦合液滴对雾化效率的影响

　　在进行磁电耦合作用下的净化实验时，首先要根据上两次的实验来确定磁场与电场的场强区间。所以，在这里做两组对比试验，分别选取强两次实验的最高荷电电压以及最高磁场强度，固定这两个变量不变，依次升高磁场强度与荷电电压，观察其最终CO浓度，其实验结果如表4~5所示。

　　由表4可知，在固定电压不变的前提下，随着磁场的增大，其净化效率提高，相较于单一的电场而言，其最终CO浓度下降了4%，其最终CO浓度下降率为66.5%。

　　由表5可知，在固定磁场不变时，随着电压的增大，其净化提高，对比于表4可知，雾化液滴对于电场的变化，其作用效果更加明显，这说明在保证其他参数不变的条件下，其磁电耦合参数中，荷电电压的变化仍是主要影响因素，其最终CO浓度下降率为66%。

　　上述结果可知，磁电耦合作用下的液滴在对空气净化方面相较于单一净化方式有较为明显的提升，这说明在一定范围下电场及磁场的共同作用时，其雾化效率有一定的提升，当控制荷电电压和磁场强度中的对比试验可知，在磁电耦合作用下的液滴，其电场的作用效果依旧占主导地位，但目前的实验的结果只是验证了其正向作用，在一定的电压及磁场范围内，其耦合会不会出现反向作用还有待继续验证。

　　3基于ANSYS的液滴动力学模拟

　　利用有限元的流体仿真软件来进行对液滴在不同状态下的流体状态以及雾化、磁化、磁电耦合状态下的液滴形态以及液滴密度的模拟，在这里将控制其液流速、喷嘴直径、以及其他环境变量相同的前提下，对普通状态下的液滴、仅磁化液滴、仅荷电液滴、磁电耦合4种液滴进行其流动状态下的模拟。

　　利用Fluent板块对处于室温下的实验用水进行其流动状态的模拟，由于其与空气进行混合输入，所以在这里默认其状态为气液多相流状态，由于其流速快慢与其外接蠕动泵的输入流速有关，所以在这里固定输入流速为0.1 m/s，设定喷嘴的口径为0.6 mm，不均匀系数为5.0，其模拟状态下的流动路径如图4所示。

　　在保证其余参数不变的情况下，依次增加电场与磁场，以及磁电耦合共同作用下的液滴流动形态，其流动性形态如图5~8所示。

　　由以上模拟结果及最终实验结果表明，在保证其余环境变量以及液滴的流速，口径不变的情况下，其最终的雾化效果证明，磁电耦合的效果最好，在一定的电压及磁场范围之下，4种状态下的液滴表现出不同的运动状态，由于其运动状态为低俗多相流的瞬态，所以其运动时间的为0.01 s。图5在喷嘴喷出的瞬间，喷嘴喷出液滴的速度迅速降至80 m/s以下，随着与喷嘴距离的增加，其速度逐渐降至20 m/s以下，并且其运动状态并不连续；图6与图5相比，虽然大部分粒子的运动速度也迅速降低，但仍有一部分粒子的运动速度保持在100 m/s左右，其粒子运动状态的连续性与图1无差别。图7相较于前两种运动状态下的粒子而言，其瞬间的粒子运动速度下降至80 m/s左右，但仍有一部分90 m/s左右的粒子混合在其中，在远离其喷嘴部分的粒子中，大部分粒子的运动速度在60 m/左右，但其中仍有少部分粒子的运动速度维持在80 m/s左右，并且其粒子运动状态的连续性有一定的改善。图8相较于上述3种粒子的运动状态而言，其在低速流动的粒子中，混有一定比例的中高速粒子，且在离喷嘴较远的例子中其粒子的运动速度的下降速度相较于其他几种状态也有所改善，且粒子的运动状态的连续性相较于其他几种状态下也有所提高，证明其耦合模式下的粒子会与空气或者其他环境下的粒子作用时间或更长，其单位时间也会与更多地粒子进行作用。

　　4结束语

　　（1）在以空气净化的实验为衡量标准的情况下，对3种状态下的液滴进行实验，其实验结果显示在一定的电场及磁场的区间内，其磁电耦合的净化效果要优于其他单一参数的净化模式，并且其粒子的作用时间也要比其余方式下的作用时间长，其实验数据显示，其最终净化CO的效率相较于单一磁场提升了39%，相较于单一电场提升了4%。

　　（2）基于ANSYS的数值模拟分析结果可知，磁电耦合作用下的液滴改变了粒子的运动状态，提升了粒子在离开喷嘴时的运动速度，这就说明其存在空中的时间变长，其与空气中粒子的的作用时间也就变长，并且其液滴的密度也相较于其他几种模式有所提高，这也提高了其雾化效率。

　　（3）磁电耦合模式改变其粒子的运动状态，但在其实验过程中，电压与磁场的调节范围并不大，这也就说明，其耦合状态下的作用效果可能会产生反向作用，其具体的数值与其喷针本身的物理参数有关，后续实验还需验证。

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