摘要：随着用户对环保与健康的要求越来越高，农用车车内空气质量尤其受到关注。针对车内空气净化，设计了一种电晕放电产生低温等离子体的空气净化装置。根据农用车使用工况，选择线-板结构等离子发生装置，然后用COMSOL软件仿真计算其产生的电子密度。仿真结果表明，在电压5 kV、电极间距10 mm时，电子密度可达到1.3×1014 m-3；电压7 kV、电极间距10 mm时，电子密度可达到5.5×1014 m-3；电压5 kV、电极间距7 mm时，电子密度可达到2.5×1014 m-3。线-板形式电晕放电可产生高密度的高能电子，具有很强的空气净化能力。可采用适当增加线电极数量、增大电压、减小电极间距等措施来提高电子密度。

　　关键词：空气质量；空气净化装置；净化能力；等离子密度

　　1.引言

　　近年来，农用车车内空气污染物如挥发性有机化合物(VOCs)、颗粒物(PM2.5)、细菌和病毒等对人体健康构成了严重威胁。中国室内装饰协会参照室内空气质量标准进行检测，报告显示90%左右的车内甲醛含量超标5-6倍，其中空气质量最差为新车[1]。而现有的车载空气净化解决方案往往采用滤网、活性炭、静电、光催化等技术，存在效率低下、有安全性风险、维护成本高等问题。鉴于此，研究设计一种高效、安全、易于维护的车载等离子净化器，具有重要的现实意义。

　　2.等离子空气净化原理

　　等离子体产生途径主要有电晕放电、辉光放电、射频放电、介质阻挡放电和微波放电等。目前研究表明，电晕放电激发等离子体化学反应能有效去除空气中有害物质，如挥发性有机化合物(VOCs)、病毒、细菌等。

　　电晕放电基本原理是在室温的空气中和标准大气压条件下，在高压电极上施加高压，从而在其附近产生强烈的脉冲电晕放电，产生高能电子。高能电子可以与空气中有害气体分子结合，使之发生分解、氧化或还原反应，从而产生丰富的离子和自由基等活性粒子，与空气中的污染物（如细菌、病毒、有机物、有害气体等）发生化学反应，使污染物分子发生分解、氧化或还原反应，生成无毒性、低毒性的无机小分子化合物[2-4]。

　　3.电晕放电形式

　　对于电晕放电形式，传统的平板电极不适合空气净化场景，平板电极的放电间隙较小，影响气体的反应面积。设计空气净化用电极时，首先要考虑的是放电间隙，其次要考虑如何将放电区域与工作区域进行分离[5]。

　　电极的曲率影响电场的分布，曲率较小的尖端电极，电场的强度大于气体的电离场强，使得气体电离。但是根据电极尖端曲率的不同，放电电流也将发生变化。常见的电晕放电结构如图1所示。

　　在尽量少改动农用车车座舱结构的前提下，可考虑将等离子空气净化装置安装在空调出风口里。线-筒式结构进气口和出气口较小，难以满足空调大风量模式的要求。针-针式结构和针-板式结构的针式结构较复杂，制造成本较高。线-板式结构简单，成本低，对风流阻挡小，满足空调大风量模式要求，故研究设计采用线-板式电晕放电发生器。

　　4.空气净化装置结构设计

　　车载空气净化装置由框架模块、电源模块和净化模块组成，如图2所示。框架模块材料可采用铝合金，起到安装支撑净化模块、提供与空调风道安装接口的作用。电源模块提供电晕放电所需的高压电，因空调风道空间较小，可将电源模块安装在其他合适位置，通过电线给净化模块供电。净化模块为线-板式结构电晕发生器，结构简单，成本低，如图3所示。

　　5.净化能力仿真

　　研究标准大气压下干空气中的电晕放电模型，采用线-板构型。在电晕放电位置，线电极附近产生高强度电场。采用泊松方程自洽耦合求解带电物质的产生和传递，用产生的高能电子密度来评价净化装置的净化能力。

　　5.1模型定义

　　模型求解漂移扩散近似中的电子和离子连续性和动量方程，并与泊松方程自洽耦合。模型求解需要应用“局部场近似”理论，即假设通过约化电场对传递系数和源系数进行较好的参数化。应用“局部场近似”理论时，无需求解电子平均能量的流体方程，这降低了数值问题的复杂性，有利于仿真求解[6，7]。

　　当电场中电子的能量增益率与其能量损失率达到局部平衡时，可认为此时局部场近似有效。在这种情况下，认为电子与电场处于局部平衡状态，电子平均属性可以表示为约化电场的函数。

　　模型对所有带电物质使用流线扩散稳定技术。使用有限元公式时，需要避免电晕放电和流注等高佩克莱特数问题的不稳定性（非自洽和自洽稳定性仅适用于有限元选项，不适用于有限元，对数公式选项）。模型中将各向同性扩散添加到离子中，使得问题更容易求解[8-10]。

　　5.2模型简化

　　因为线-板式发生器是对称结构，在进行等离子密度仿真时，可对模型对称简化处理，以减少运算量和运算时间，简化后的线-板结构模型如图4所示。

　　5.3仿真结果

　　用等离子净化装置产生的高能电子密度来衡量其净化能力，设置不同的电压和电极间距进行仿真计算，研究其对电子密度的影响。

　　在高压电极上施加5kV电压，高压电极中心与接地金属板之间距离为10mm时，电子密度仿真结果如图5所示，在线电极附近，电子密度可达到1.3×1014m-3，并在远离线电极的位置迅速下降。

　　在高压电极上施加7kV电压，高压电极中心与接地金属板之间距离为10mm时，电子密度仿真结果如图6所示，在线电极附近，电子密度可达到5.5×1014m-3，并在远离线电极的位置迅速下降。

　　在高压电极上施加5kV电压，高压电极中心与接地金属板之间距离为7mm时，电子密度仿真结果如图7所示，在线电极附近，电子密度可达到2.5×1014m-3，并在远离线电极的位置迅速下降。

　　6.结论

　　（1）线-板式电晕放电结构简单，成本低，对风流阻挡小，满足空调大风量模式要求，安装时无须大规模改动农用车座舱结构，适合车载使用场景。

　　（2）通过COMSOL仿真结果可知，在线电极附近，电子密度最大，并在远离线电极的位置迅速下降，因此可以在单位空间里适当增加线电极数量，以增大单位空间中电子密度，从而提高装置的净化能力。

　　（3）高压电极上施加的电压大小影响产生的电子密度，线电极上电压越高时，产生的电子密度越大。高压电极和接地电极间距也会影响电子密度，当线电极与接地电极间距越小时，产生的电子密度变大。故适当增大电压，减小电极间距，可以增大单位空间中电子密度，从而提高装置的净化能力。

　　参考文献

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　　[4]陈晓煜.一种新型空气净化器的技术与开发[D].重庆大学,2009.[5]叶世乾.增强型离子风空气净化器的研制[D].北京交通大学,2022.

　　[6]叶灏.多种等离子体模拟直线装置螺旋波等离子源设计与模拟研究[D].大连理工大学,2021.

　　[7]邹岸新,王守刚,杨滔,等.直流电晕放电特性分析[J].科学技术与工程,2023,23(19):8078-8084.

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　　[9]王薇.氩气放电电磁场有限元分析研究[D].沈阳理工大学,2021.

　　[10]汪晓熙.脉冲放电等离子体处理甲苯废气的研究[D].华中科技大学,2007.