介电流体电热对流的流动及传热研究
电流体泵(离子对流泵) 工作过程是电气体发电的逆过程，其优点是没有运动部件和回转力矩，噪声小，结构简单。利用电流体泵的工作原理可以制造飞行器的电气体动力推进器。
航天飞行器
多管电除尘器
图1 电流体动力学应用（图片来自网络）
从物理角度来看，这两种对流并不完全相同。在这两种情况下，驱动流动运动的机制完全不同：
1 | 在Rayleigh-Bénard对流中，流体运动受浮力驱动，电对流中电场驱动电荷运动从而带动流体流动； |
2 | EHD和Rayleigh-Bénard对流的结合就是电热流体动力学（ETHD）。在这种结构中，流体由库仑力和浮力共同驱动，而温度和电荷的分布依赖于速度场。电场和温度梯度同时作用于介电液体层的联合效应导致了流动中复杂的物理相互作用。 ETHD研究的一个动机是引入电场可以增强传热。通过电场强化传热有一些独特的优势，如设计简单、无机械部件的快速智能控制、低功耗等。 |
图2 电热对流系统示意图
空间离散采用保正性迎风有限体积格式，时间离散采用Runge-Kutta方法。
采用的边界条件为：
固定普朗特数Pr=1，电荷注入强度参数C=10，瑞利数Ra=105，选取两个离子移动性参数M=10与M=20，研究流动结构与传热随电场强度参数T的变化。
图3显示了M=10与M=20在Ra=105时，平均努塞尔数Nu随电场强度参数T变化的分叉图。
图3 M=10与M=20在Ra=时的分叉
从图3可以看出：M=10时得到了两支解，一支有一个主对流涡胞，另一支有两个主对流涡胞。
这两支解是在不同初始条件下得到的：
（1）单涡胞流动在小T时是定常的，当T超过临界值时流动变为非定常并且有流动反转出现；
（2）双涡胞解总是非定常的。
图4给出了M=10，T=400时候的单涡胞流场图，4（a）显示的是电荷密度分布及流线，4（b）显示的是温度分布。
图4 M=10，T=400时的流场结构
从图4（a）可以看出，与纯电对流类似，流场中存在很大面积的低电荷密度区。
图5给出了M=10，T=400时的双涡胞流动在某个时刻的电荷密度、流线分布与温度分布，图5（a）为电荷密度及流线分布，图5（b）为温度分布。
图5 M=10，T=400时流场结构
由图5双涡胞流动在某个时刻的电荷密度、流线与温度分布可以看出：两个涡胞关于竖直中线基本对称，运动过程中做小幅值振荡。
单涡流动与双涡流动两种流动在T=800时的Nu随时间变化如图6所示，其中图6（a）为单涡流动在T=800时Nu随时间变化，图6（b）为双涡流动在T=800时Nu随时间变化。
图6 M=10，T=800时Nu随时间变化图
由图6可以看出单涡流动对应的Nu存在大幅振荡，并且周期较长，而双涡流动振幅小周期短。
图7 M=10，T=800时一个周期内流动反转过程：（a）t=1.17;（b）t=1.35;（c）t=1.40;（d）t=1.60
对于M=20，当T增加到800时，只有稳定的单胞流是稳定的，努塞尔数几乎不依赖T，可见电场对传热的增强很大程度上依赖于M和流动形态。
当M=10时，在单细胞流动分支中，Nu随T的增加而缓慢增加，直至T=600，当T进一步增加时，Nu开始下降，这是T>600时的流动反转引起的。同时，在非定常双涡胞分支中，Nu相对于T急剧增加，其中在T=800时Nu增加了18%。
对于M=20，Nu随T的增加变化不大，这是因为在这种情况下，离子迁移率相对较小，而电场的影响较小，流动以热对流为主。
本研究表明了电热对流的复杂性，同时电场不总是能起到增强传热的效果，离子移动性(M)对流动结构和传热影响很大。
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