0 引言
气体在高电压的作用下发生碰撞电离产生带电粒子，带电粒子在电场作用下加速，并与空气分子碰撞引起的动量交换，在宏观上表现为流体运动，称为“离子风”，也叫“电流体（Electrohy Drodynamic, EHD）”或“电晕风”[1]。离子风是由Hauksbee在18世纪首先发现的[2]。由于离子风具有低噪声、低功耗、响应速度快和无机械运动部件等优点，进入21世纪以来，离子风逐渐成为研究的热点。
随着对离子风研究的不断深入，其应用领域得到了不断拓展。例如在食品干燥领域，离子风可以加速食物表面水分的蒸发，从而延长食品保存时间[3-5]；在温度控制领域，利用离子风的流体性质可以带走周围的热量，从而强化电子设备和元器件的 空气对流散热[1, 6]；在推进领域，离子风可以控制边界层流体，抑制机翼气流分离，从而降低飞行时的空气阻力，提升飞行器的升力[7-9]；在助燃领域，离子风可以带入放电过程中产生的活性粒子，促进燃料燃烧，提高燃烧效率[10-11]；在空气净化领域，离子风所携带的电粒子与空气中的颗粒和微生物充分混合后，可凝聚颗粒，杀死微生物[11-14]。
离子风在实际应用和改进方面的研究热点如图1所示。本文主要从离子风的实际应用和离子风激励器结构改进两个方面对离子风近年来的研究成果予以介绍。本文首先介绍离子风的发生方式；其次，总结典型电极结构所产生离子风的特点，并综述近年来离子风在典型领域的应用现状；然后，总结离子风激励器的结构改进策略；最后，对离子风在未来的发展趋势提出了作者的观点。
图1 离子风在实际应用和改进方面的研究热点
Fig.1 Research hotspots of ion wind in practical application and improvement
1 离子风的发生方式
离子风作为气体放电的一种现象，其产生的方式主要有电晕放电和表面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。也有研究者通过辉光放电产生离子风，但辉光放电是电晕放电提高电压后产生的结果，其基本装置图与电晕放电相同[16-17]。图2所示为两种典型离子风激励器结构示意图。基于电晕放电和SDBD的离子风发生装置都是带电粒子在电场作用下与空气分子发生碰撞，进行动量交换从而产生离子风。
图2 离子风激励器基本结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of the basic structure of an ion wind actuator
1.1 电晕放电
基于电晕放电的离子风激励器，其电极含地电极和曲率较大的高压电极，高压电极与高压直流电源相连。如图3所示，典型电极结构有针-板式（图3a）、针-网式（图3b）、针-环式（图3c）、线-板式（图3d）、线-网式（图3e）、线-筒式（图3f）。高压电极周围存在不均匀电场，使得电极附近的气体发生电离，产生的带电粒子存在于高压电极附近的很小的区域内，即“电离区”。电离区的带电粒子在电场作用下向地电极运动，途经区域称为“迁移区”。带电粒子在运动过程中与空气分子碰撞交换动量，从而产生气体流动。
图3 六种典型电晕放电电极结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of six typical corona discharge electrode structures
电晕放电按照所用电源电压极性可分为正极性和负极性。无论是正极性还是负极性，离子风的方向总是由高压电极指向地电极，这是由带电粒子的运动方向决定的[18-21]。基于电晕放电的离子风激励器多为正极性，这是因为正电晕放电所产生的副产物较少[16]。需要指出的是，随着电晕放电所施电压升高，放电模式将经过电晕放电进入辉光放电阶段。辉光放电的电子能量和放电电流都比电晕放电要高，所产生的离子风强度也更高[17]。但辉光放电所需电压等级接近火花放电，对电压控制精度要求较高，因此基于辉光放电的离子风激励器在实际中应用不多。
1.2 介质阻挡放电
基于介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）的离子风激励器装置主要由封包电极（植入电极）与暴露电极（表面电极）构成，且封包电极被电介质材料包裹，如图2b所示。高压交流电源启动后，暴露电极周围产生的强电场将加速电极附近空气中自由电子、离子与空气分子碰撞。当电子能量达到阈值后，电子可以碰撞电离中性粒子，并使其释放出新的电子。释放出的电子继续与其他中性粒子发生碰撞电离。放电过程中，带电粒子积聚在电介质上，形成表面电压。该表面电压可以有效补偿施加的电压，从而避免剧烈放电引起火花。当交流电压切换极性时，电介质上的带电粒子被加速，与空气分子发生动量交换形成离子风[20]。
基于DBD产生的带电粒子在电场的作用下做定向运动，与空气分子发生碰撞，进行动量交换，从而使暴露电极附近的空气产生定向运动，形成离子风。离子风总是朝着远离暴露电极的方向流动[16]。
2 离子风的特点
离子风形态和风速共同决定了离子风的应用领域。不同的电极结构对离子风流场形态影响很大[22-23]，国内外学者对典型电极结构下的离子风形态和风速进行了广泛的研究。
现有的方法主要用仿真与实验的研究离子风特性。仿真方法主要是忽略电离层的作用，通过带电粒子所受静电力作为体积力与N-S方程耦合进行模拟[1]。若要进一步优化模型，可分区域计算电离区与迁移区模型。实验方法主要是直接测量风速与拍摄示踪粒子[8]。直接测量风速虽然能够得到具体风速，但无法获得离子风的流场分布，并且测量精度受仪器精度影响大；由于示踪粒子的运动速率与真实流场速率存在差异，不能反映真实的流场速率，但示踪粒子可以直观地反映离子风流场的分布。图4a是通过高速相机拍摄的针-板式电晕放电产生的离子风可视化照片[24]。在图中可以清楚地观察到电离区和离子迁移区。电离区分布在高压针电极周围，呈白色。由于电离区厚度与迁移区相比很小，因此在离子风数值模拟中，一般可忽略电离区的厚度[1, 25]。图4b和图4c是针-球、针-网电极的离子风可视化照片[26-27]。
图4 三种电极结构下离子风激励器流场分布
Fig.4 Flow field distribution of ion wind actuator under three electrode structures
影响离子风速度的因素较多，主要有放电形式、 电极结构和电压等级。表1汇总了近年来国内外学者对典型电极结构下离子风风速的研究成果。可以看出，电极间距一般在20mm及以下，所施加电压等级多在20kV以下，离子风风速一般小于8m/s。
表1 典型电极离子风风速汇总
Tab.1 Summary of ion wind speeds of typical electrodes
放电 形式 电极 结构 电极 间距/mm 电压 等级/kV 最大 风速/(m/s)参考文献8 16 6.08 [28]针-板 15 6～12 2.6 [29]15 17.2 3.5 [30]15 6 2.5 [31]5 6～12 2.7 [32]针-环 电晕 放电 9 6～10.5 2.2 [33]10 5～10 3.5 [34]13 3～13 8.0 [35]15 8～16 2.0 [36]20 5～20 4.0 [37]6 10～14 2.3 [38]10 8 1.6 [39]10 13 4.09 [40]20 5～10 1.2 [41]线-板 5 5～20 1.1 [18, 42]针-网 8 5～8 1.1 [43]线-网 10 8～12 1.8 [44]DBD — 20kV(峰-峰值) at 820Hz 3.2 [30]介质阻挡 放电 多电极DBD — 8kV直流+8kV at 2kHz脉冲 1.0 [45]交直流耦合 20 1.2kV(峰-峰值) at 20kHz+15kV直流 1.8 [46]
3 离子风的应用
离子风的流动特点、携带带电粒子等属性，决定了其在不同领域的广泛应用，主要有食品干燥、温度控制、推进、助燃和空气净化等。以下为离子风在各领域中应用现状的分析与总结。
3.1 食品干燥领域
潮湿环境易加速食物腐败变质，因此食品干燥技术对延长食品保质期至关重要。现有干燥技术主要有加热干燥、真空冷却干燥、微波干燥和太阳能干燥[47]。加热干燥，通过升高温度加速水分的蒸发，但较高的温度会加速某些食品的损坏或变质，此外加热干燥能耗较高。真空冷却干燥，虽然不会损坏食物营养结构，但需要真空环境，能耗较高[3]。微波干燥和太阳能干燥与加热干燥相似，难以避免对食物品质造成一定的损坏。张立等[48]对不均匀电场下液态水蒸发的研究表明，一定电压下高压电极产生的离子风，可极大促进液态水的蒸发，为离子风干燥食品提供了原理支撑。
Bai Yaxiang等[4]对比了离子风（针-板式电极）与烤炉对海参的干燥效果，结果表明，尽管烤炉干燥速度快，但烤炉的高温会使海参变质。而离子风不仅具有良好的干燥效果，而且能耗仅为烤炉干燥的21.31%。Ding Changjiang等[49]对比离子风和烤箱干燥后胡萝卜片中的胡萝卜素含量，发现前者含量远高于后者。以上研究表明，虽然离子风具有良好的干燥效果且能耗低，但空气电离出的臭氧等副产物与食品发生化学反应，比如A. Martynenke等[50]研究离子风干燥苹果片时发现，离子风的确增强了苹果片水分的蒸发，但苹果片的颜色同时也发生了改变，其原因可能是放电副产物与苹果表面发生了化学反应，生成醌类化合物。Yu Hongjian等[47]使用离子风干燥马铃薯片时发现，离子风对马铃薯还原糖的含量影响较小，但干燥样品在复水后，存在质量损失现象，损失的成分主要是淀粉。
此外，电极结构对干燥效果也有很大影响。T. Defraeye等[51]对不同电极结构的离子风干燥效果进行了对比，对比结果表明线-网式电极对食品的干燥更均匀，干燥率更高。这是由于电极结构直接决定了离子风流场的形态，食品与气流的接触面积不同从而导致最终干燥效果的不同。
离子风干燥法与传统的干燥方法相比，功耗小、噪声低，在一定程度上可以防止食品损坏，但气体放电产生的副产物可能导致食品变质，所以未来离子风在食品干燥领域的应用需要解决的问题：①由于气体放电对空气的电离，会产生臭氧等副产物，可能会与干燥物表面物质发生化学反应，因此必须抑制气体放电副产物的产生，减小对干燥食品的影响；②目前离子风的强度不高，因此必须优化电极结构，提高干燥效率。针对副产物问题，可以在电极附近增加吸附装置，吸收氧化物，吸附装置可采用网孔状，这是因为网孔状装置不会对离子风的风速产生较大影响。对于电极的优化，需要根据具体的应用效果进行改进，在干燥领域，需要气流达到一定的速度，又必须使流场均匀。可以采用曲率半径较小的针电极作为高压电极，电源采用正极性，正极性的离子风在相同电压下比负极性离子风强度略高。地电极可以采用网状电极，网状电极可以使气流分布更加均匀，提高干燥效率。
3.2 温度控制领域
随着集成电路中电子器件集成化程度的提高，电子器件散热问题成为制约集成电路发展的关键之一。由于离子风的流体性质，近年来发展出了不少基于离子风的器件冷却方法：一种是将离子风激励器作为“空气泵”直接冷却器件；另外一种则是利用离子风产生局部湍流，通过调控边界层流体形态，强化局部散热效果[22]。
近年来，离子风直接用于热源冷却的研究主要体现在冷却加热板、LED以及电子芯片，冷却效果多以传热系数强化因子（定义为离子风下的传热系数与自然传热系数的比值）和最高温度下降度数（温度降）进行表征，见表2。此外，也有通过热阻来表征传热效果的研究，如Ingyoun Chen等[52-53]利 用离子风冷却LED时发现，热阻值可从80℃/W降低到41℃/W。
表2 几种典型结构冷却研究汇总
Tab.2 Summary of cooling studies of several typical structures
冷却 对象 电极 结构 电压等级/ kV 传热系数 强化因子 温度 降/℃参考 文献 针板式 6 — 9.0 [28]加热板 针板式 35 ～12 — [54]针板式 12 ～1.57 15.0 [29]针板式 13 1.8 — [55]针环式 12 — 45.0 [32]线板式 22 3 — [57]
（续）
冷却对象电极 结构 电压等级/ kV 传热系数 强化因子 温度 降/℃参考 文献 针-网式 — — 10.7 [40]LED 针-网式 — — 34.4 [57]针-网式 — 2 9.0 [58-62]绕线-筒式 7.5 1.37 — [63]线-网式 10.5 — 30.4 [44]芯片 线-网式 0.76 — 4.0 [64-65]线-板式 3.7 — ～8.0 [66]
利用离子风产生涡流源，进而强化局部冷却效果的基本原理如图5所示。当通道内存在外部气流时，给电极施加电压形成离子风，离子风的上游与下游会形成两个不同的流动区域。在离子风的上游，离子风的方向与来流方向相反，形成涡流区。外部气流无法通过该区域，形成边界层与壁面分离。在离子风的下游，离子风产生的壁面射流将形成新的边界层，该边界层可由所加电压进行调控。
图5 离子风控制边界层示意图
Fig.5 Schematic diagram of boundary layer controlled by ion wind
需要指出的是，离子风协同低速来流时冷却效果更好。D. H. Shin等[1]基于线-板电极的研究发现，在低雷诺数（100～200）下，离子风和来流协同作用下的传热系数比仅有来流时提高了11%，但在高雷诺数（2 500～3 500）下，传热系数反而只有来流单独作用时的73%。不同高压电极形式对传热系数的影响如图6所示，张立等[17]研究针电极、针-环电极、线电极下离子风与来流的协同冷却效果时，发现针-环电极的局部换热能力最强，表面传热系数可达68W/(m2·℃)，是自然表面传热系数的3.5～4.5倍，达到单独使用离子风散热的1.7倍以上，是单独使用来流散热的2.5倍。
图6 不同高压电极形式对传热系数的影响[17]
Fig.6 Influence of different high-voltage electrodes on heat transfer coefficient[17]
在温度控制领域，离子风由于功耗低、响应快、噪声小、散热强等优点，比传统机械式风扇更有优势。通过优化电极结构，还可有望实现集成化冷却。但离子风中的带电粒子带来的绝缘问题和电磁干扰问题会影响电子设备的使用，若要在未来实现离子风冷却的集成化，还需解决以下两个问题：①离子风是由于气体电离出的带电粒子在电场的加速下产生的，因此离子风中会带有大量的带电粒子。当使用离子风冷却时，部分带电粒子会沉积在冷却对象上，若冷却对象为电子设备，会破坏设备的绝缘性能，因此需要消除带电粒子的影响。针对这个问题，可以采取双极性放电的形式，这种放电结构产生的带电粒子可以自中和，大大削弱了离子风的带电性。②优化电极，进一步提高风速。双极性离子风发生器由于带电粒子的中和，粒子受电场力的时间短，风速较弱。因此，可以在双极性高压电极之间加入电介质材料，延长带电粒子的受力时间。也可以设置多级电极，对带电粒子多次加速以提高离子风强度。
3.3 推进领域
离子风作为一种能改变气流形态的流体，通过减小飞行器阻力和产生推力，可作为一种推进器的新型动力源。该推进方式还具有响应快、能耗低、噪声小以及无机械运动部件等优点。
在减小阻力方面，J. R. Roth等[67]在飞机机翼上安装了DBD离子风发生装置，如图7所示。研究发现，气体放电产生的带电粒子在电场作用下加速，可抑制边界层的气流分离，从而减小机翼阻力。同时，电极位置和供电方式也会影响机翼的气动性能。D. Y. Kwak等[68]研究了电极放置方式对机翼气动性能的影响，得到了最优放置方案。R. Mark等[69]对连续放电和脉冲放电的气动效果进行了研究，发现 脉冲放电的气动效果较好。
图7 离子风抑制机翼气流分离示意图[67]
Fig.7 Schematic diagram of ion wind suppression wing airflow separation[67]
在产生推力方面，离子风推力的大小受到电压、电极结构、电极位置和电极数目的影响。任军学等[70]对线-附面电极的离子风推进装置进行了研究，测量了电压与推力的关系。王维等[7, 71]采用多针-网式电极研究了离子风激励器的结构运行参数对推力与推功比的影响，实验获得的最优结构可产生的最大推力为43.3mN。N. Monrolin等[72]采用线-筒电极离子风激励器产生的推力受到集电极位置的影响，最大推力可达到约56mN/m。S. Sato等[45]采用多电极DBD产生的离子风推力为2.7mN/m，并且推力密度与电极数目成正比。
基于上述对离子风推力的研究，国内外很多团队已经研制出了离子风推进器。Xavier Borg-Blaze团队[73]研制了基于线-附面电极的离子风推进器，并得到了不同工况下的推力和推功比。德国Festo仿生技术公司[74]发明的B-ionic Airfish离子风推进器，平均推力可达90mN，飞行速度达到0.7m/s。图8所示为Xu Haofeng等[75]研制的离子风推进器，可以在2m高的空中飞行60m左右。需要指出的是，虽然在实验室条件下离子风推进器可实现一定距离的飞行，但NASA对离子风推进技术的研究发现，当离子风产生的推功比达到20N/kW，且飞行器推力密度达到20N/m2时，离子风激励器才能替代传统机械式发动机成为太阳能飞机的动力源[76]。
图8 离子风推进器[75]
Fig.8 Thruster driven by ion wind[75]
虽然离子风推进器还在实验研究阶段，无法大规模使用，这些实验已验证离子风在推进领域应用的可行性，但由于推功比和推力密度难以同时提升，还无法远距离推进。若使离子风在推进领域上大范围应用，需要解决两个问题：①提高推功比，同时提高推力密度，以满足飞行的最低空气动力功率要求；②优化离子风激励器、激励器与机翼的位置匹配关系，减小推进器的阻力。推进器的推力功比主要与放电能量和电极结构有关。因此离子风推进器需要高功率电源，但高功率的电源质量较大，无法满足推进器的要求。所以考虑缩小电极间距，并采用微型高压电源。针对离子风激励器和机翼的位置匹配关系，可以从电极距离及角度等方面考虑，寻找最优电极间距和角度。
3.4 助燃领域
燃料不充分燃烧，不仅会造成资源浪费，还会产生有害物质，造成环境污染。等离子体助燃是一种新型助燃技术。在气体放电过程中会电离出大量的活性自由基、激发态组分等高活性的粒子，这些活性粒子能够大大促进燃料的燃烧。伴随放电产生的离子风可作为一种辅助手段，将这些活性粒子送往燃烧区，加速化学反应。
近年来已经有学者将离子风用于助燃领域。离子风将气体放电生成的活性粒子推向火焰的预热区，加速了化学反应，增加火焰的稳定性[77]。B. N. Ganguly等[10]在火焰附近施加直流电场，预热火焰区域的活性自由基密度高达1011/cm3，使燃烧得以强化。E. N. Volkov等[11]研究了电场对火焰热声行为的影响，火焰在电场作用下向燃烧器移动，燃烧器表面温度升高，燃烧更加稳定。Zhang Yang等[78]的交流场对火焰的影响实验研究显示，电压会对火焰造成一定程度的影响，离子风在低压段的作用明显，它可以增强燃料与空气的混合，以促进燃烧。图9所示为J. Kuhl等[79]采用环形电极放电影响层流预混火焰，研究结果表明，离子风可将活性粒子和新鲜空气送入燃烧区，并将火焰推至燃烧器，提高了废气温度，扩大了最高温度的区域范围，从而促进燃烧，减少了有害气体的排放。
图9 直流电场对预混火焰影响示意图[79]
Fig.9 Schematic diagram of the effect of a DC electric field on a premixed flame[79]
虽然理论上离子风在等离子体助燃领域的确可以起到较好的辅助作用，但相关技术还不够成熟，在实际应用中还需要解决以下两个问题：①离子风助燃作用主要是向燃烧区输送氧气和带电粒子，因此将气体放电产生的高浓度活性粒子定向送至燃烧区非常关键。②如何确定最优的电极方案和运行条 件，使燃料与氧气充分混合，提高燃烧效率。由于火焰本身属于等离子体，因此火焰中存在大量的带电粒子，在燃烧器附近设置交流电场，扩大燃烧区的面积，这样可以扩大离子风携带的氧气和带电粒子与火焰的接触面积，以提高燃烧效率。
3.5 空气净化领域
等离子体在空气净化领域应用广泛，气体放电过程中产生的带电粒子与待处理的空气混合后，对有害微生物进行消杀，促进颗粒物的凝并，提高空气质量。M. J. Gallagher等[80]通过等离子体直接处理空气，虽然杀菌效率可以高达97%，但放电产生的臭氧达到了28μg/L，会造成二次污染。由于离子风的流动性，可将电极产生的带电粒子与空气中的微生物充分混合，既可以提高杀菌效率，又能够稀释臭氧含量。
E. Timmermann等[14]采用DBD作为等离子体源联合离子风处理室内空气，并与等离子体直接处理后的空气做了对比，研究结果如图10所示，等离子体直接处理空气后臭氧含量高达15 000μg/L，而杀菌率只有24%；但等离子体与离子风联合处理后的臭氧含量仅为362μg/L，且杀菌率高达95%。 M. Schmidt等[81]利用相同的原理分解空气中的甲乙酮，结果显示等离子体和离子风共同作用下分解率达94%。以上都是针对空气中的细菌和有害气体的研究，离子风由于携带活性粒子，还可以用于有关病毒的消杀，阻断病毒的传播途径等。
图10 有无离子风情况下不同电气参数对臭氧浓度和 杀菌率的影响[14]
Fig.10 Influence of different electrical parameters on ozone concentration and sterilization rate with or without ion wind[14]
在静电除尘中，通过离子风对除尘效率也有着重要影响。T. Yamamoto等[12]通过实验证明了静电除尘过程中颗粒受电场、来流和离子风的共同作用。离子风影响颗粒物的驱进速度和荷电时间，从而影响除尘效率。离子风对除尘效率的影响与来流速度有关，Liang W.J.等[82]对电除尘效率的数值计算的结果显示，当来流速度大于0.6m/s，离子风对除尘效率的影响可以忽略；当来流速度小于0.2m/s，离子风能提高除尘效率。Wang Yifan等[83]对蜂窝式静电除尘器的除尘效率进行数值计算的结果显示，离子风在这种电极结构中有促进颗粒凝聚，减小颗粒沉积死区的作用。Zhang Jianping等[84]对离子风在线-筒电极除尘效率的数值计算结果表明，离子风可以促进PM2.5的收集，最高效率可达83.1%。然而，沈欣军等[18]的研究表明离子风会在除尘器中形成涡流，阻碍颗粒物的捕集。
李庆等[22]的研究结果表明，电极结构是离子风影响除尘效率的关键，因此可以通过改变电极结构来改变流场形态，从而提高净化效果[85-86]。Shen Heng等[87]对五种不同形状收集极的静电除尘器流场的模拟计算结果显示，电极形状影响流场分布，从而影响除尘效率。如图11a所示的传统的线-板静电除尘器，但二次扬尘会降低除尘效率。对此，T. Yamamoto等[88]将线-板电极的集电极改造为袋状结构，如图11b所示，有效地抑制了二次扬尘，小粒 径颗粒的收集效率提升至80%。
图11 线-板式电极静电除尘器[88]
Fig.11 Wire-plate electrode electrostatic precipitator[88]
近年来双极性离子风也被用来净化空气。Chang Qianyun等[89]采用双极性预荷电装置辅助收集空气中颗粒的研究表明，离子风可以加强不同极性颗粒物的混合，加速颗粒物的凝并，与没有预荷电装置静电除尘器相比，除尘效率提高了12%。双极性电晕放电离子风颗粒收集装置如图12所示，V. T. Dau等[90]采用双电极电晕放电离子风激励器收集空气中的颗粒物。针电极可产生双极性的离子风，既可以促进正负极性颗粒凝并，也可以加快颗粒物的驱进速度，除尘效率可达到94%。
图12 双极性电晕放电离子风颗粒收集装置[90]
Fig.12 Ion wind particle collection device for bipolar corona discharge[90]
离子风在空气净化领域的应用已日渐成熟，在未来有望实现室内空气净化，但需要解决以下两个问题：
（1）通过放电净化空气，主要是带电粒子与空气中的污染物的结合，在电场作用下消除污染物，因此需要优化电极结构，提高带电粒子浓度，并使离子风将带电粒子与空气微生物和颗粒物充分混合，使得离子风的流场形态更有利于促进颗粒凝并。改变地电极形状，影响流场形态，例如电源使用三相电源，可以提高运行电场强度[83]；地电极使用波形电极，增加离子风的湍流度，也可以在高压电极与地电极之间设置交流电场，带电粒子可以与污染物充分接触，加速污染物的沉降。
（2）放电过程中产生的臭氧如果不加以处理，会造成二次污染，因此需要抑制有害副产物的产生。在高压电极附近安装紫外线照射装置可以有效抑制臭氧的产生；另外在净化装置前设置一个加湿器，空气湿度的提高也可以有效抑制臭氧等副产物的产生。
综上所述，离子风在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等领域的研究都取得了重大进展，离子风所具有的独特优点使其的应用范围非常广泛，应用前景光明。虽然离子风在很多领域还在实验阶段，并且一些关键问题还有待解决，但未来离子风的应用将会更加成熟。
4 现有的离子风激励器改进策略
针对上述离子风在各个领域中存在的问题，国内外学者已经对离子风激励器提出了一些改进策略，以求在各领域内最大化离子风的作用效果。
4.1 抑制有害副产物产生
气体放电产生的副产物会引起食品在一定程度上的变质，并且在空气净化过程中，若副产物得不到有效抑制，会造成二次污染。为了抑制副产物的影响，可以在离子风激励器上安装紫外线照射器，抑制臭氧的产生[91]。还可以采用恒流式电源供电，适当加大高压电极与地电极的距离，提高空气湿度[92]。光学催化剂的使用，如二氧化钛(TiO2)、三氧化钨(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副产物的产生[93-95]。
4.2 提高离子风强度
离子风强度的提高，可以提升传热系数和推力的大小。提高离子风强度的方法大致有两类：一是使用多发射极并联，提高流量；二是增加扩展电极，延长电场线。S. J. Lee等[33]采用集成式针-环电晕放电阵列结构，并且在高压电极与地电极之间引入屏蔽层，消除单元射流之间的影响，从而提高了离子风的强度。针-环电极微型阵列如图13所示。
图13 针-环电极微型阵列[33]
Fig.13 Miniature array of needle-ring electrodes[33]
近年来，不少学者通过增加扩展电极来提高离子风强度，如图14所示，Tirumala等[96]通过增加扩展电极，既可以增加迁移区的长度，提高离子风的强度，同时可以分担部分电流，降低了起晕电压。图15所示为DBD离子风激励器通过增加电极数量来提高离子风强度。图15a是R. Erfani等[97]向电介质中嵌入第三电极的结构，离子风风速与标准DBD离子风激励器相比提高了91.2%，功耗却比标准DBD离子风激励器低。如图15b所示，K. Yoshida等[98]采用环形辅助电极提高DBD产生离子风的强度，与没有辅助电极时产生的离子风相比，风速从1.6m/s提高到3.7m/s，离子风转化率提高了30倍。上述研究只是单纯地添加电极来强化离子风，而刘文正等[46]采用交直流电极耦合的方法，在直流电极与交流电极之间引入第三电极，并接入直流电源。如图15c所示，这种结构提高了空间电荷密度，从而提高了离子风的强度。在未来强化离子风的研究中，可以综合考虑电极的数目、排列方式和供电方式来提升离子风强度。
图14 扩展电极强化离子风的装置示意图[96]
Fig.14 Schematic diagram of device with ion wind strengthened by expanding electrode[96]
图15 DBD离子风激励器改进示意图
Fig.15 Schematic diagram of DBD ion wind actuator improvement
4.3 消除带电粒子的影响
在使用离子风对集成电路的电子元件冷却时，由于离子风携带的带电粒子在壁面上的沉积，可能会导致绝缘下降，还会对电子设备产生电磁干扰。为了消除带电粒子的影响，可以采用双极性电极产生离子风。图16a是Van T. D.等[99-100]采用双极性针电极产生中性离子风，这是因为不同极性的带电粒子自中和，消除离子风的带电性。虽然这种方式可以消除带电粒子的影响，但离子风强度较低。因此为了提高双极性离子风的强度，Wang Ronggang等[101]在两个针之间加SiO2电介质，在出口设置接地电极环，图16b所示装置产生的离子风强度可以达到普通双针电极的5倍。
图16 双极性离子风激励器[99-101]
Fig.16 Bipolar ion wind actuator[99-101]
4.4 装置小型化
电子设备微型化的发展趋势，限制了其冷却装置的体积，因此离子风装置小型化也成为近年来离子风激励器的发展趋势之一。C. P. Hsu等[6, 102]采用硅晶体制备了微型悬臂式电晕放电离子风激励器冷却加热板，电极间距4～5mm，电压为8.5kV时，温度降可达25℃，证明了离子风激励器小型化的可行性。Jewell-Larsen等[103]采用线-板式电极结构，电极间距2～6mm，最大流量可达100L/min。A. O. Ong等[64-65]采用的线-网电极集成式离子风激励器，电极间距可达到0.5mm，对CPU进行冷却具有比传统风扇更好的冷却效果，如图17所示。通过减小电极间距，既可以实现离子风激励器的小型化，又可以在一定程度上提高离子风的强度，但林岑等[104]的不同电极形式的离子风散热效果实验表明，通过减小间距提升离子风强度需要综合考虑电极形式，否则可能导致离子风的应用效果降低。
图17 线-网电极阵列离子风激励器[64-65]
Fig.17 Wire-mesh electrode array ion wind actuator[64-65]
上述研究都是通过减小电极间距来实现离子风泵的微型化，也可以从供电方式上实现激励器的小型化。图18是交流供电的两种离子风激励器，图18a是A. M. Drews等[36]在针-环电极之间施加交流电产生离子风，实验结果表明，供电频率较高时，离子风的强度与电极间距无关。这一研究结果为将来将离子风激励器作为集成电路的冷却方式提供了 思路。图18b所示为V. T. Dau等[105]对双针电极施加交流电，这种结构没有地电极，一定程度上减小了激励器的体积，并且这种双针结构可产生中性的离子风，消除带电粒子的影响。电极形状、材料对离子风是否存在影响也需要进一步研究。
图18 交流离子风激励器[36,105]
Fig.18 AC ion wind actuator[36,105]
4.5 降低电压等级
气体放电所需的高电压一定程度上提高了离子风的使用条件，因此在尽可能不降低离子风强度的前提下，降低放电电压等级，对扩大离子风的应用范围意义重大。目前已有不少学者提出了低压离子风方案。Tirumala等[96]采用的针—初始电极—扩展电极，可以有效降低起晕电压。也可采用新型供电单元，如图19所示，M. J. Johnson等[42, 106]使用压电变压器为电晕电极产生离子风。压电晶体既可以作为发射极也可以作为收集极，作为收集极时，最低电压可降低至7V，可产生离子风的风速大约为0.3m/s，作为发射极时，离子风的风速最大可达到0.8m/s。同样也可以考虑使用热电或光电变压器作为供电单元产生离子风。改变供电方式也可以在一定程度上降低电压等级，如图20所示，S. Sato等[45]使用多电极DBD结构，并采用DC叠加脉冲驱动的方式，有效降低了离子风驱动电压。上述研究从电极数量、电极材料和供电方式等方面降低产生离 子风所需电压，也可以从电极间距、电极的排列方式等角度降低电压，但不同电极形式的运行工况不同，需要进一步探究。
图19 压电晶体做收集极和发射极示意图[42]
Fig.19 Schematic diagram of piezoelectric crystal as collector and emitter[42]
图20 直流叠加脉冲放电多电极DBD离子风激励器[45]
Fig.20 Multi-electrode DBD ion wind actuator under DC and pulse discharge[45]
4.6 防止电极腐蚀
离子风激励器的电极腐蚀问题直接关系到装置的使用寿命和维护成本，所以寻找新的电极材料是离子风研究领域的迫切问题之一。现有的离子风激励器采用的电极大多是不锈钢、铜电极。当离子风激励器产生离子风时，电极附近发生的复杂碰撞电离，会电离出能腐蚀电极的化学物质。防止电极腐蚀一般有两种方法：①使用抗腐蚀且导电良好的材料，例如C. P. Hsu等[6,99]和C. G. Noll等[107]使用的硅、锗针电极都具有很好的抗腐蚀性；M. J. Johnson等[16]采用的压电晶体和刘文正等[43]采用的碳纤维电极也有着较强的抗腐蚀性。②在高压电极上覆盖抗腐蚀涂层，Ye Jianchun等[108]在高压电极上覆盖TiO2/CNT涂层既可以起到抗腐蚀的作用，同时又提高了离子风的风速。除了上述方法外，也可以采用合金作为电极材料。电极材料掺杂比例、加工方式可作为离子风激励器电极的优化方向之一。
5 展望
总的来说，离子风激励器在未来的发展趋势是低压、耐用、高效和小型化。对于离子风在未来的研究与应用，本文提出几点建议：
（1）在之前的研究中，辉光放电产生的离子风风速要高于电晕放电产生的离子风风速，但对电压控制精度要求较高，因此有必要研究离子风的精准控制策略。例如，集成信号采集数据与计算机控制技术，针对具体的工作环境，实现闭环控制，以提高控制精度；同时可以将人工智能技术引入离子风控制的研究，使得控制系统在应用中可以不断学习周围工作环境，提高工作效率。
（2）目前推进器一般工作在低气压的高空环境，未来若要使用离子风作为动力源，就必须开展离子风激励设备在恶劣环境下（低气压、低温、潮湿等）的实验研究，可优化电极结构保证离子风强度，以保障设备在实际应用时能正常工作。研发高功率微型电源，满足推进器飞行的低质量和高功率要求。
（3）继续开展提高离子风强度、降低使用电压等级的优化研究。例如考虑脉冲电源（占空比、频率）在离子风产生中的作用。
（4）解决离子风激励器小型化中绝缘和电磁兼容等问题。例如，可以从绝缘材料（无卤阻燃聚合物）和抑制放电电极相互间的干扰角度入手。
（5）寻找新型电极材料（如石墨烯材料），使得未来的离子风激励器具有更高的响应速度、效率和耐用性，同时降低了离子风激励器的维修成本。
（6）优化地电极形状，如网状电极的网孔大小、形状，以减小地电极对离子风的束缚作用。
（7）开展等离子体与离子风协同阻断细菌和病毒传播的研究，为离子风消杀应用提供理论参考。
（8）开展离子风在农业和水资源开发等新领域的应用，例如使用离子风加强二氧化碳、氧气的输送，促进农作物的增产；通过离子风收集雾水，缓解干旱-半干旱地区的水资源短缺问题。
6 结论
离子风的研究涉及流体力学、热力学、环境科学、航空航天以及能源动力等诸多领域。越来越多的学者加入到离子风的研究队伍中，极大地促进了离子风与不同领域的交叉融合。本文针对离子风的原理、产生方式、研究方式、应用与改进进行了总结。具体结论如下：
1）离子风的产生方式有三种：电晕放电、介质阻挡放电、辉光放电。其中电晕放电与介质阻挡放电是现阶段离子风产生的主要方式。电晕放电可采用直流、交流和脉冲供电，电极结构简单。采用电晕放电产生离子风时，可通过增加电极的曲率，减小放电间距改进离子风激励器。介质阻挡放电多数采用交流和脉冲供电，放电电极间需要绝缘介质。这种方式可通过改变介质材料、供电参数（频率、占空比）、电极形状（蜂窝式）优化离子风激励器。
2）离子风的速度与形态直接决定了它在不同领域的应用。离子风的实验测量上存在一定的局限性，但可建立离子风模型实现离子风的流场模拟。可分别求解电离区与迁移区的粒子分布，优化离子风模型。
3）电极参数、电压等级等是影响离子风的主要因素。改进离子风激励器时，可以根据应用场景的不同，调整电极结构，确定所需要的电压等级，选择合理的供电方式控制电能-风能转换效率。
4）现阶段离子风已经被应用在食品干燥、温度控制、推进、助燃、空气净化等领域，并且取得很大进展，但其与大规模应用还有很大距离。在实验研究中发现了离子风激励器在应用与研究中存在的一些问题，主要是：①气体放电产生的副产物；②带电粒子沉积引起的绝缘问题和电磁兼容问题；③电极腐蚀；④转换效率低。对于上述问题，作者提出了一些解决方案。例如，不仅可以对宏观电极结构进行改进提高离子风风速，也可以对微观电极表面进行处理，既能够提高电极疏水性，增强抗腐蚀性，又能够提高离子风风速。
针对离子风在不同领域中的问题，虽然现有学者对离子风激励器的电极结构、电源类型、发生方式和电极材料等方面问题提出了一系列改进措施，但这些研究大多是对单一方面的改进，要实现离子风的实际应用还需要深入研究。因此，作者对离子风的未来发展趋势进行了展望，为离子风的研究提供了思路。
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