学术简报︱均匀电场和极不均匀电场对水蒸发的影响
研究结果表明：利用网电极产生垂直水面的均匀电场可以促进水蒸发。利用线电极可产生极不均匀电场，水面上电场方向竖直向下，同时线电极表面会产生放电。当外施电压较低，线电极表面放电较弱时，放电产生的空间电荷携带水分子回到水面，产生抑制蒸发的效果。随着外施电压的增加，线电极表面放电强度增加，离子风开始发展，增加了水面上空气的对流，明显促进水的蒸发。与仅施加电场相比，利用线电极产生离子风促进蒸发的效果更加显著。本文利用热力学理论对该实验现象和原理进行了解释。
电晕是一种常见的放电形式，人们对电晕放电的探索从对电晕起始电压、电流脉冲等宏观现象的研究深入到微观粒子输运、放电机理的研究。离子风是电晕放电伴生的一种现象，相对利用风扇产生风的方法，离子风具有低功耗、无需机械旋转部件、低噪声和离子丰富等特点，在推进、强化对流散热、空气除尘、干燥等领域受到了广泛的关注。
离子风干燥技术被认为是最适用热敏材料脱水的高效非热能技术，可以在食品、药品、生物制品干燥中具有广阔的应用前景。相对于热风干燥技术，离子风干燥的能耗更低，因为使用热风干燥时需要加热空气，加热后的空气会带走热量。干燥生物材料时，根据生物材料类型、初始最终含水量和操作条件，离子风干燥速率通常比自然蒸发快1.3～4.52倍，干燥时间可以缩短15%～40%。
研究也发现电极形式对干燥效果有很大的影响，Lai F. C. 等对单针电极、多针电极和线电极的增强干燥效果进行实验，发现在较低的外施电压下，使用线电极比针头电极的干燥效果更好，就单位质量干燥物质使用的能量而言，使用单个电极比多个电极干燥效率更高，并且采用正极性电压比负极性效率更高。与电极方向垂直的来流风速对干燥的效果也有很大影响，在较低风速下离子风干燥的效果更明显，高风速的来流会对离子风有抑制作用。
Dalvand M. J. 等发现，多针电极干燥时，电极电压越高，电场强度越强，干燥效果越好。Lai F. C.的研究结果表明，离子风对实际应用的干燥效果取决于许多因素，包括电极间距、电晕极性、材料特性等。
离子风干燥的主要原理是利用离子风增加被干燥物体上空气的对流，使水蒸发的速度变快。为了产生离子风，在设置电极时电极间距往往很近，电压也接近对应电极布置下的击穿电压。如果增加电极间距并适当降低电压，可以削弱离子风的强度，此时放电可能会产生抑制蒸发的效果。
利用在农田上方布置导线产生对地的电晕放电可以抑制土壤的蒸发。Arif-Uz-Zaman M. 等证明了电场可以富集水分子使空气湿度增加，这是基于水分子介电泳原理：水分子会趋于向电场强度增强的方向运动[27]。空间电荷激励的极不均匀电场也能吸引水分子，并形成荷电的微小液滴。Reznikov M.总结了荷电液滴半径与液滴带电量、外界蒸汽压之间的关系。
本文利用水体为接地电极，在水面上设置了网电极和线电极两种电极形式并施加高电压。利用网电极可以产生垂直于水面的强电场，利用线电极可以产生放电。本文研究两种电极配置对水面蒸发的影响，并尝试对产生的促进蒸发和抑制蒸发的现象给出理论解释。
图1 高湿度环境下蒸发实验装置示意图
本文通过理论实验和推导计算的方式，研究了均匀电场和极不均匀电场对蒸发的影响，得到的结论如下：
1）以水体为接地电极，在水面上施加垂直作用在水面上的均匀电场对水的蒸发有促进作用，随着电场强度的增加，促进蒸发的效果更加明显。
2）以水体为接地电极，在水面上方激励出极不均匀电场并产生放电，当电极间距较大并且外施电压较低时，放电强度较弱，此时空间中会存在一定量的空间电荷，由于空间电荷可以富集水分子形成微小液滴，微小液滴在电场力作用下发生电泳，重新落回水面，使水的蒸发速度降低。
3）以水体为接地电极，在水面上方激励出极不均匀电场并产生放电，当外施电压增大，放电的强度增加到一定程度时，离子风得到加强，水面上对流增加，与电场协同作用下，促进水的蒸发。与仅施加垂直于水面的均匀电场相比，使用离子风促进蒸发的效果更加显著。