面向航空航天应用的静电除尘器数值建模与构型优化研究

《Scientific Reports》：Numerical simulation and structural optimization of electrostatic precipitators for particle purification in space capsules

　　

摘要

为支持静电除尘器（ESP）在潜在航空航天应用中的性能优化，本研究开发了一种将离散相模型（DPM）与用户自定义标量（UDS）输运方程耦合的数值模型，以解析ESP内部的电场特性和颗粒输运行为。针对放电电极和集尘板的结构优化，建立了四种具有代表性的ESP构型进行比较：常规平板型、W型、结合波纹集尘板与辅助电极的W1型，以及单电极型。系统研究了预装滤屏、内部气流分布、电场与电荷密度特征，以及颗粒轨迹与收集效率之间的关系。在相同工况下，W1型和单电极型构型对直径0.2–1.0 μm的颗粒收集效率均超过92%。对于0.5 μm的颗粒，其收集效率超过90%，相较于常规平板型构型，绝对效率提升约40个百分点。预装滤屏为较粗颗粒提供了额外的机械拦截阶段，增强了整体净化性能，但这一优势伴随着流阻的增加。这些结果阐明了气流、电场与颗粒输运之间依赖于构型的耦合机制，并为航空航天应用静电除尘器的设计与优化提供了数值依据。