电场作用下涡旋中空气颗粒物动力学的数值研究

捕获、选择性收集与飞行操控空气悬浮颗粒是各类快速发展的气溶胶技术应用中的三项重要功能需求。在此类情形下，空气动力阻力、颗粒惯性以及由外部施加静电力引起的介电泳（DEP）力会显著影响微米级颗粒的行为。本工作中，我们数值研究了这些力的组合如何独特地影响未带电或弱带电空气颗粒的行为，不同于它们各自单独影响的情况。分析了在两个弯曲电极表面之间数值构建的良结构稳态涡旋流中未带电颗粒的运动。朝向和远离电极尖端的涡旋空气环流分别增强和恶化了电极上的静电颗粒捕获，相对于颗粒上静电力方向分别称为同向与反向。电场下反向涡旋中的颗粒由于阻力、惯性与 DEP 力之间的相互作用而呈现出丰富多样独特行为。电极表面凸度引起的涡旋结构畸变导致一种逆惯性极限环轨迹对颗粒的捕获；空气颗粒在空间上被分离，较大颗粒比较小的颗粒捕获在涡旋更内部。无量纲数 ξ_v（DEP 力与颗粒惯性之比）的值代表了操作流场与电场强度的组合。在此构型中，颗粒捕获的惯性截止随着 ξ_v 增大在其临界值 ξ_v≈0.2 处突变为 DEP 捕获。由于涡旋捕获、惯性排出与静电捕获之间的相互作用，出现了在封闭尺寸与密度范围内的颗粒选择性沉积。