高压交流电场下EHD附壁射流电导机理及其流态转捩特性研究

Electrohydrodynamics (EHD) deals with the direct and efficient conversion of electrical energy and fluid kinetic energy. It has been widely applied to many fields such as microelectronics and aerospace. Among them, the Surface Dielectric Barrier Injection (SDBI) actuator has begun to attract attention due to its better dielectric strength and enhanced convection effect. However, the mechanism of EHD wall jets generated by this actuator is relatively lagging behind. In this project, we combine Electrodynamics, Surface physical chemistry and Fluid dynamics to study the conduction mechanism and flow transition characteristics of EHD wall jets in silicone oils under an AC electric field. Firstly, a charge generation principle based on multi-source charge injections and charge ionization mechanisms is proposed. The electric field equation set on account of the charge accumulation on the dielectric surface is established and then introduced into the Navier-Stokes equation to construct an EHD wall jets model with multi-field coupling and multi-factor influence characteristics, the conduction mechanism is analyzed after solving the EHD equation set. Secondly, the nonlinear system stability analysis method is used to investigate the boundary layer transition between different flow regimes for the EHD wall jets under electric field disturbance. Finally, by constructing a complex orthogonal table with multi-factors, unequal levels and interaction, the optimization problem of nonlinear system is solved with the intrinsic parameters of the EHD wall jets as optimal factors. The optimal combination of external parameters of EHD wall jets will be explored in order to develop the theoretical basis for the innovative application of SBDI actuator in the silicone-based EHD pump.

电流体动力学（EHD）研究电能与流体动能的直接高效转化，已广泛应用于微电子、航空航天等前沿领域。其中沿面介质阻挡型射流（SDBI）发生器因具有更好的耐压特性和对流效果开始受到学界的关注，但该发生器产生的EHD附壁射流机理研究却相对滞后。本项目采用电动力学、表面物理化学和流体动力学探索交流电场下硅油中EHD附壁射流的电导机理和流态转捩特性。首先，提出基于多源电荷注入与电离机制相结合的电荷生成理论，建立考虑壁面电荷累积效应下的电场方程组，将其引入Navier-Stokes方程构建适用于多场耦合、多因素影响的附壁射流数学模型并分析其电导特性。其次，利用非线性系统稳定性分析方法，探究电场扰动下的附壁射流边界层转捩特性。最后，构造多因素、不等水平、存在交互作用的正交表，解决以附壁射流特性参数为优化指标的非线性系统寻优问题，探索控制参数最优匹配方案，为SDBI发生器在电流体泵中的创新应用提供理论依据。

得益于无机械运动部件、电极布置灵活、以及电能与动能的直接转换，电流体泵送技术在解决微重力环境复杂空间布局中的对流传热以及微流控领域的流动控制方面具有光明的应用前景。 本项目针对电流体泵中EHD流体的电导机理和流态转捩途径等基础问题展开研究。 通过理论研究，综合考虑电极表面的电化学注入、介电层的双电层形成和电荷累积、体电荷的解离/重组等多源电荷生成机制，建立适用于SDBI发生器结构的电对流模型。 通过仿真研究，明确EHD附壁射流电场与流场的相互作用机制，得到流场特征结构与空间电荷分布的关联规律；解构两种电荷生成机制，从本质上理解单一电荷机制对EHD射流的影响方式。 通过实验研究，搭建EHD射流测量平台，提出基于时间间隔调整的前处理方案，降低实验系统的测量误差；发展基于多平面PIV测量的三维射流重构技术，完善EHD射流的三维结构研究；探索EHD射流各特征参数随电场的变化规律，揭示流动从间歇性到周期性再到湍流的转捩特性; 完成针对不同控制目标的SDBI发生器设计，为EHD泵送技术提供更多的控制方式; 建立EHD射流实验测量平台，发展适用于多种发生器结构的EHD射流仿真和实验研究的综合验证策略。 项目的重要发现和研究成果包括：（1）从电极过程定量研究电荷注入机理，首次提出用基于电子转移和浓度依赖的Butler-Volmer（B-V）方程来描述EHD电荷注入定律；（2）建立考虑多种电荷形成机制的普适性（全电导率范围）电对流模型；（3）构建适用于硅油/PMMA界面的电荷特性吸附三层模型；（4）提出基于EHD湍流理论模型的电场力简化计算方法；（5）定义针对非对称电极EHD射流的等效电场准则；（6）基于本征正交分解实现减阶EHD流场重构。本项目可推动实验流体力学与电动力学的交叉融合，丰富电流体动力学的知识体系，为EHD泵在强化传热、流动控制领域的发展提供理论依据和技术支撑。