《Journal of Aerosol Science》：Simulation on charging and dynamics of a flowing bacterial aerosol in parallel-rod dielectric barrier discharge
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本研究提出了一种耦合模型，用于分析介质阻挡放电（DBD）环境中细菌气溶胶粒子的充电特性和运动机制。通过模拟不同初始位置、电压频率和进气速度，揭示了粒子空间分布规律及充电机制，为DBD空气消毒技术提供了理论依据。
张丽阳|吴家坤|冯子豪|吴凯月|李玉泰|罗海云|张晓乐|傅洋洋
北京化工大学机械与电气工程学院，北京，100029，中国
引言
新出现的危险生物气溶胶对全球人类健康构成了严重威胁（Wang等人，2021年）。空气等离子体是一种有前景的技术，可用于在公共环境中灭活空气中的细菌和病毒（Lan等人，2023年；Ma等人，2024年；Zhang等人，2022年）。然而，放电等离子体与生物气溶胶之间的微观相互作用仍不甚明了。除了能够修饰和破坏细胞成分的反应性化学物质（Tan等人，2024年；Wu等人，2015年）外，带电粒子也可以通过给气溶胶充电来发挥作用，可能通过静电排斥作用破坏细胞膜（Lan等人，2024年；Mendis等人，2000年），并改变气溶胶的动力学特性（Zhang等人，2021年）。
气溶胶的充电行为强烈依赖于放电配置和等离子体特性，这些因素决定了粒子充电的主要机制。例如，在电晕放电中，等离子体局限于高电场区域，与施加电压同极性的离子会在主体区域占主导地位（Intra & Tippayawong，2009年；Romay等人，1996年）。电晕放电为静电除尘器（ESP）奠定了技术基础，静电除尘器被广泛用于气溶胶采样和空气净化（Afshari等人，2020年；Wei等人，2014年）。由于单极电晕充电，气溶胶的动力学特性已被广泛研究，并使用成熟的场充电和扩散充电模型进行了数值预测（Lan等人，2023年；Zhengwei Long和Qiang Yao，2010年）。对于射频（RF）辉光放电，由于电子的迁移率远高于离子，电子可以在气溶胶充电过程中起主导作用（Nayak等人，2023年）。在这种系统中，粒子上的总电荷大约在100纳秒内可以达到稳态值，这通常由粒子的悬浮电位和电容决定（Nayak等人，2023年）。
与电晕或RF辉光放电相比，介质阻挡放电（DBD）等离子体由于其高度瞬态和空间非均匀性的特点而表现出独特的特性。大气中的DBD等离子体通常通过形成流光（局部丝状放电）来运作（Ran等人，2018年）。实验研究表明，在交流（AC）电压下，通过DBD的气溶胶会经历双极充电，其中正电荷粒子占较大比例（Byeon等人，2008年）。此外，这些粒子在AC电场下可以振荡（Zouzou等人，2010年；Zouzou & Moreau，2011年）。然而，控制这些现象的潜在机制仍不甚清楚。计算建模为阐明这些实验观察结果提供了潜在途径。先前的数值研究已经展示了流光与静止粒子之间的相互作用（Feng等人，2024年；Yu Babaeva等人，2006年）。粒子可能会极化，从而显著增强周围的电场。此外，根据粒子的介电常数，电离前沿可能会包围粒子或在粒子下方重新启动（Kong等人，2022年；Yu Babaeva等人，2006年）。尽管取得了这些进展，但对于流光非中心区域或流光之外的粒子充电动力学仍了解有限。此外，气溶胶的充电后运动和动力学特性也研究较少。一个重大挑战在于时间尺度的差异：虽然等离子体诱导的气溶胶充电发生在纳秒到微秒的范围内，但随后的气溶胶动力学通常在微秒到毫秒的时间内展开。解决这一问题需要开发一种新的建模策略，以跨越这些截然不同的时间尺度。
在这项工作中，提出了一个耦合模型，用于评估平行棒DBD中瞬态放电和流体流动对细菌气溶胶动力学的影响。通过阐明DBD环境中生物气溶胶充电和传输的基本机制，该模型为基于DBD的空气消毒（Zhang, Wang等人，2024年；Zhou等人，2016年）和净化（粒子去除）（Pang等人，2025年；Shi等人，2022年）应用提供了重要线索。
部分摘录
模型描述
所研究的放电配置如图1(a)所示。在这种设置中，两根金属棒作为电极，并被介电管包围。等离子体放电发生在这两根介电管之间的间隙中。这种配置已被有效用于空气消毒目的（Zhang等人，2022年，2023a年）。气溶胶通过进气口进入，被瞬态等离子体充电，随后被带出放电区域
结果
以下部分的组织结构如下：以直径为1微米的细菌气溶胶为例，其相对介电常数（ε_r,p）为4作为基准，第3.1-3.4节研究了放电过程、气溶胶充电行为、气溶胶动力学以及进气流速度和电压频率的影响。为了覆盖放电区域并实现更高的空间分辨率，共进行了189次模拟实验，初始气溶胶位置x_0的范围从-1毫米到1毫米
讨论
在基于等离子体的空气消毒应用中，反应性化学物质（O、·OH、·HO2、O3、H2O2等）和带电粒子（电子、正/负离子）都可以在生物气溶胶的灭活中发挥作用。化学物质的氧化作用被认为是导致细菌灭活的主要原因（Zhang, Zhang等人，2025年）。带电粒子的作用虽然报道较少，但不可忽视。首先，当带电粒子与微生物接触时，
结论
总结来说，本研究探讨了模型细菌粒子在DBD中穿过瞬态放电丝状结构时的充电特性和机制。提出了一个耦合建模框架，用于分析在交流电压下的粒子动力学。关于粒子充电的关键结论如下：
- (i)
通过改变放电开始时单个粒子的初始位置，研究了粒子充电的空间分布特性。
CRediT作者贡献声明
张丽阳：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，研究，资金获取，概念化。吴家坤：可视化，方法论，研究，正式分析。冯子豪：可视化，方法论，研究，正式分析。吴凯月：可视化，方法论，研究，正式分析。李玉泰：验证，方法论，正式分析。罗海云：验证，方法论，正式分析。张晓乐：撰写——审阅与编辑，
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
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52407176和52217154）、中国博士后科学基金会的博士后奖学金计划（CPSF，资助编号：GZB20230326）以及广西重点研发计划（资助编号：2023AB20055）的支持。
