使用高压环形导体对电喷雾羽流控制进行数值研究

《Journal of Aerosol Science》：Numerical Investigation of Electrospray Plume Control Using High-Voltage Ring Conductors

基于三维欧拉-拉格朗日数值模拟研究高压环形电极对电雾喷流结构的影响，发现环形电极可调控电场分布，增强空间电荷效应，使喷流轴向加速度范围扩大30%-50%，径向聚焦度提升15%-25%，但 droplet 分子量分布变化小于5%。

　　

阿明·本穆萨（Amine Benmoussa）| 西尔维奥·坎迪多（Silvio Candido）| 穆罕默德-雷扎·彭达尔（Mohammad-Reza Pendar）| 何塞·卡洛斯·帕斯科阿（José Carlos Páscoa）

贝拉内拉尔大学机械与航空航天科学技术中心（C-MAST），葡萄牙科维良（Covilh?）马凯斯·达维拉·埃·博拉马街（Rua Marquês d’ávila e Bolama）6201-001号

摘要

在电液动力喷涂系统中，电喷雾羽流的动力学对液滴传输、沉积效率以及涂层均匀性起着关键作用。本研究采用OpenFOAM中实现的全耦合欧拉-拉格朗日框架，对电喷雾羽流行为进行了全面的三维数值模拟。湍流气流通过大涡模拟（LES）来求解，电场则通过求解泊松方程得到；带电液滴的运动则采用考虑电场相互作用、图像力和空间电荷效应的守恒电荷拉格朗日公式进行追踪。模型预测结果与文献中的基准实验数据进行了对比，显示出良好的吻合度，尤其是在液滴轴向速度分布和羽流轮廓方面。研究重点关注了高压环形导体对羽流结构的影响，系统地改变了环的直径及其相对于喷嘴的轴向位置。结果表明，控制环显著改变了电场拓扑结构，增加了静电浓度，并维持了下游液滴的加速效果。增大环的直径有助于提高羽流的准直度和速度均匀性，而喷嘴与环之间的距离则决定了电液动力加速的轴向范围和平滑度。液滴尺寸分布表明，控制环主要影响液滴传输过程，而非初级雾化过程。

引言

电喷雾技术已成为一种有效的方法，可以精确控制液滴的大小、电荷以及沉积材料的分布。这些特性在多个领域都显示出巨大的应用价值，包括医疗输送（Alfatama等人，2024年）、植物喂养（Sereshkeh等人，2024年）、喷墨打印（Ga?án-Calvo等人，2018年）以及精确涂层和表面改性（Jumaidin等人，2018年）。在标准的电喷雾生成配置中，液体通过毛细管或喷嘴在高压电场的作用下被喷射出来，形成所谓的泰勒锥（Taylor cone）（Lee等人，2020年；Morad等人，2016年）。当静电压力超过表面张力时，从锥顶会喷射出一股细长的带电液滴流。这种液滴流会因毛细（瑞利）不稳定性而分裂成多个带电液滴，最终形成细小的气溶胶（Rosell-Llompart等人，2018年）。

喷雾羽流的后续发展是气溶胶系统的重要方面，因为其行为直接影响液滴的运动、着陆位置以及整个系统的效率。此外，羽流的形成受到多种因素的影响，包括施加的电场、液体的粘度和导电性以及周围介质（Lastow & Balachandran，2007年）。当带电液滴离开近场喷射区域后，喷雾会转变为具有不同大小、速度和轨迹的液滴群。

电喷雾系统产生的气溶胶会受到空气动力阻力的影响，还会发生湍流混合，并涉及短距离和长距离的静电作用，因此涉及多个作用尺度。在羽流中，液滴表现为中性惯性粒子，它们的运动和空间分布的变化调节了气溶胶的关键特性，如大气寿命、浓度和尺寸分布。这些参数对气溶胶科学至关重要，无法仅通过近场锥-喷射相互作用来推断。实验和数值研究表明，空间电荷效应和电场配置对羽流的扩展及其在喷嘴下游的扩散有显著影响（Ganan-Calvo等人，1994年）。

泰勒锥-喷射的形成和稳定性是电喷雾羽流形成的基础，已有大量研究进行了深入探讨（Candido & Páscoa，2023年；Moreira等人，2025年；Nunes等人，2025年）。然而，电喷雾羽流在下游的演变过程包含了一些近场模型无法充分描述的物理现象，主要是由于空气动力阻力和湍流混合的共同作用，以及带电液滴在羽流尺度上与载气之间的显著相互作用。相反，静电力决定了羽流的扩散、排列和加速。实验结果揭示了电喷雾羽流内部复杂的速度分布和二次加速区域，表明其传输动力学不能仅通过锥-喷射特征来简单推断（Breddan等人，2022年，2023年）。为了准确预测气溶胶沉积和喷雾覆盖范围，需要采用明确考虑液滴流动相互作用和静电传输的羽流尺度建模技术。

电喷雾从发射区域到下游羽流的过渡在建模中仍是一个实际难题。靠近液滴表面的区域受到非常强的电场和亚微米尺度上的电荷传输支配，而几毫米下游的喷雾则表现为带电液滴云，这些液滴与周围气体及其他液滴相互作用。这些不同区域通常被分开处理（Barrios-Collado等人，2016年）。电极配置的改变使得构建同时考虑发射和羽流扩展的单一框架变得困难，因为电极附近的强电场和空间尺度的巨大差异使得简化假设难以适用。Petro等人（2022年）指出，离子羽流的发散和加速直接依赖于这种场结构，因此在喷嘴和收集器之间添加中间电极（如高压环）会以简化静电处理无法捕捉的方式影响羽流的发展。

从物理角度来看，电喷雾行为受电荷传输、电应力和流体运动之间的耦合控制。传统的漏电介质公式可以描述这种相互作用，但准确的羽流预测需要在计算域内一致求解电势和电荷守恒（Magnani & Gamero-Casta?o，2025年）。当引入几何形状调节元件时，这一要求变得更加重要，因为即使是微小的几何变化也会重新分布沿喷雾轴的电场。多项实验表明，额外的高压环导体在类似喷雾羽流距离范围内会改变电场，影响液滴轨迹、轴向动量和下游的径向聚焦（Kim等人，2024年；Rafeq等人，2024年；Gan等人，2016年）。这表明环电极不仅能够稳定锥形结构，还能生成羽流。

从数值角度来看，羽流尺度的电喷雾计算通常采用欧拉-拉格朗日框架，并通过简化力模型或经验扩散系数来纳入静电效应，这在某些应用（如含颗粒流动和静电涂层过程）中是有效的（Yu等人，2017年；Zuzio等人，2017年；Gimenez，2024年）。然而，在电喷雾羽流中应用这些方法仍具有挑战性，因为空间电荷、电场设计和液滴动力学之间的相互作用较为复杂。在最近的一些研究中，电荷守恒并未得到严格遵循，长距离静电相互作用也以简化或孤立的方式处理，从而限制了模型的预测能力。尽管最近通过改进的静电公式和实验验证（Breddan等人，2023年；Pendar等人，2023年；Benmoussa等人，2025a，b）做出了努力，但在羽流尺度上进行综合的几何静电控制方面的数值研究仍然不足。

本研究关注羽流尺度上的电喷雾动力学，描述了液滴充电的物理过程。与以往使用临时扩散模型的羽流研究不同，本研究采用耦合的欧拉-拉格朗日框架和守恒电荷的静电公式，直接建立了电场形状与气溶胶羽流传输和限制之间的关系。通过系统地改变高压环的直径及其相对于喷嘴的轴向位置，研究了其对羽流结构的影响。

部分内容摘录

控制方程

在OpenFOAM框架中采用了三维欧拉-拉格朗日算法来研究完全湍流的气流场和分散相的动力学。这种方法已被广泛用于两相和含颗粒流动的模拟，因为它能够同时解决载体相的湍流并准确追踪分散液滴（参见Yu等人（2017年）、Zuzio等人（2017年）、Shao等人（2024年）、Benmoussa等人（2024年）和Gimenez等人的研究）

计算网格分析

图2展示了模拟中使用的完整计算网格域，并说明了所采用的细化策略。该域采用结构化六面体网格进行离散化。如图2a所示，网格包含三个细化区域：最精细的内部区域是一个以喷嘴为中心的圆柱形区域，沿轴向排列，旨在准确解析喷雾内的强电场和速度梯度

结论

本研究采用全耦合欧拉-拉格朗日模型结合大涡模拟技术，对电喷雾羽流的动力学进行了三维数值研究，以解决湍流气流问题。该框架详细考虑了静电力、液滴-液滴相互作用、图像力和破碎机制，从而实现了从喷嘴到收集器的带电液滴传输的物理一致性描述。

研究结果表明，引入...

CRediT作者贡献声明

西尔维奥·坎迪多（Silvio Candido）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件开发、方法论设计、实验研究、形式分析。穆罕默德-雷扎·彭达尔（Mohammad-Reza Pendar）：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论设计。阿明·本穆萨（AMINE BENMOUSSA）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、方法论设计、实验研究、形式分析、数据整理、概念构思。何塞·卡洛斯·帕斯科阿（José Carlos Páscoa）：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金协调

未引用参考文献

Barrios-Collado等人，2015年；Benmoussa等人，2025年；Candido和Páscoa，2024年；Fernández de La Mora，2007年；Magnani等人，2025年；Roache，2025年9月。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“GreenAuto项目”的支持：该项目名为“汽车行业的绿色创新”，项目编号为02/C05-i01.02/2022.PC644867037-00000013，属于“商业创新激励计划”的一部分，由“恢复与韧性计划”资助。此外，该研究还得到了“机械与航空航天科学技术中心（C-MAST-UBI）”的“研究单元”的支持，相关项目编号为UID/00151/2025（https://doi.org/10.54499/UID/00151/2025）和UID/PRR/00151/2025（//doi.org/10.54499/UID/PRR/00151/2025）。