《Journal of Aerosol Science》：Effects of Chamber Configuration on the Nanoparticle Output of Spark Discharge Generators: A Combined CFD, Particle Tracing, and Experimental Study
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纳米颗粒产率与腔体几何结构关系研究通过CFD-PT联合模拟与实验验证，发现缩短入口-出口距离可提升气体流速并减少颗粒驻留时间，从而显著提高产率，而腔体体积影响较小。
M. Bermeo|D. Megyeri|M.H. Magnusson|A. Kohut|Zs. Geretovszky|M.E. Messing
固态物理与纳米技术，隆德大学物理系，邮政信箱118，22100隆德，瑞典
摘要
火花放电发生器（SDGs）是生产具有特定性能的纳米颗粒（NPs）的多功能工具。本研究结合了COMSOL Multiphysics?中的计算流体动力学（CFD）和粒子追踪（PT）模拟以及实验数据，探讨了不同腔室配置（包括进出口位置和腔室体积）对纳米颗粒产量的影响。测试了五种几何形状，结果表明，较短的进出口距离可以增加电极间隙处的气体速度，减少颗粒的停留时间，并提高颗粒产量。实验结果与模拟结果一致（经过归一化处理后），表明颗粒产量仅受腔室体积的微弱影响，前提是颗粒的停留时间不超过火花放电周期。我们的研究强调了CFD-PT联合模拟在预测和优化SDG性能方面的有效性。
引言
火花烧蚀技术已成为一种无需化学试剂即可生产具有可控形态、尺寸、浓度和成分的纳米颗粒（NPs）的方法[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。纳米颗粒特性的可调性使其在研究中至关重要，同时也引起了大规模工业纳米颗粒生产应用的关注，在这些应用中，产量和重复性至关重要[6]。尽管通过并行化或提高放电频率可以扩大火花烧蚀的规模[7]，但单次放电产生的颗粒量相对较少，这凸显了改进颗粒生成效率方法的重要性。
先前的研究已经探讨了多种操作参数以优化火花烧蚀系统的性能，包括不同载气（N?、Ar、N?-H?、Ar-H?、空气）、气体流速、电极材料、成分、直径、间隙、放电频率、电路电阻和电容对纳米颗粒成分、晶体结构、尺寸分布和产量的影响[2]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，尽管在优化火花放电发生器（SDG）的操作参数方面取得了很大进展，但对于腔室几何形状（如腔室体积、电极位置以及进出口位置）对颗粒输出和传输效率的影响关注较少。
SDG中纳米颗粒的生成和传输与腔室内的流动特性密切相关。不高效的流动几何结构可能导致颗粒因沉积在腔室内壁或在停滞区域聚集而损失，从而降低颗粒产量。相反，最佳的流动条件可以改善颗粒向出口的传输，从而提高颗粒产量。通过结合计算流体动力学（CFD）和粒子追踪（PT）模拟可以研究腔室设计与颗粒行为之间的相互作用。这些建模技术允许研究不同腔室配置下的气体流动和颗粒轨迹，为实验研究提供了经济高效的方法。
先前的研究已经证明了结合模拟和实验来优化SDG性能的价值。例如，Megyeri等人[14]通过实验测量和CFD模拟评估了不同流动配置（即交叉流、同轴流和混合流几何结构）、进出口距离以及体积流速对纳米颗粒尺寸分布的影响。此外，Han等人[15]研究了针-板型电极配置对颗粒尺寸和电荷分布的影响。然而，系统地研究腔室配置（如不同腔室形状和体积）对颗粒输出影响的综合性研究仍然较少。
本研究系统地探讨了腔室几何形状与纳米颗粒输出之间的关系。我们使用COMSOL Multiphysics?进行CFD和PT模拟，以模拟不同SDG配置下的流动行为、颗粒传输和传输概率。这些模拟结果补充了关于不同腔室设计对颗粒输出影响的实验研究。
章节摘录
火花放电发生器
如Meuller等人[16]所详细描述，本研究使用了五种不同的腔室配置，同时保持电极间的棒状结构不变。初始配置是一个六路交叉型的不锈钢腔室（标记为E），如图1所示，进出口管位于距离电极表面47.2毫米的位置。随后通过改变进出口距离来调整腔室体积。
结果与讨论
表1总结了不同的腔室配置，并对其产生的颗粒的平均输出浓度和尺寸分布进行了测量。相应的结果见表2。在测试的B配置（0B、2B、4B、6B）中，所有配置的输出浓度均优于E配置。这表明缩短进出口距离会影响SDG的产量，但具体趋势尚不明确。
结论
本研究通过计算流体动力学（CFD）和粒子追踪（PT）模拟结合实验测量，探讨了不同腔室配置对SDG中纳米颗粒输出的影响。结果表明，腔室几何形状显著影响了流动动力学、颗粒停留时间以及最终的颗粒尺寸分布。研究了五种常见的腔室配置，其中常用的配置（称为E）……
CRediT作者贡献声明
Marie Bermeo：撰写——审阅与编辑、验证、数据整理。Maria E. Messing：指导。Martin H. Magnusson：指导。Dániel Megyeri：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据整理。Zsolt Geretovszky：指导。Attila Kohut：撰写——审阅与编辑、指导
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了瑞典战略研究基金会（资助编号：FFL18-0282）、欧盟“地平线2020”研究与创新计划（根据Marie Sklodowska-Curie资助协议编号945378）以及匈牙利国家研究、开发与创新基金（资助编号EK?P-24-4-SZTE-653、TKP2021-NVA-19和K 146733）的支持，还得到了塞格德大学开放获取基金（资助编号ID：8362）的支持。A. Kohut获得了匈牙利Bolyai研究奖学金。
