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多针头纳米结构活性离子发生器针间距离的确定方法

阅读:407发布:2020-05-11

专利汇可以提供多针头纳米结构活性离子发生器针间距离的确定方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种多针头纳米结构活性 水 离子发生器针间距离的确定方法,对单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的 电场 强度进行仿真,将不同针间距离的双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度与单针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度进行对比,以在针尖处的电场强度最接近作为判据,确定最佳针间距离,若同时存在多个最佳针间距离,则根据双针头之间电场干扰最小原则,从中选择一个最佳针间距离。本发明的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,通过 软件 模拟的方式,确定两两针头之间的最佳距离,简单易行,方便快捷,为纳米结构活性水离子多针头发生装置的设计及产业化应用提供理论依据。,下面是多针头纳米结构活性离子发生器针间距离的确定方法专利的具体信息内容。

1.多针头纳米结构活性离子发生器针间距离的确定方法,其特征是:对单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度进行仿真,将不同针间距离的双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度与单针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度进行对比,以在针尖处的电场强度最接近作为判据,确定最佳针间距离,若同时存在多个最佳针间距离,则根据双针头之间电场干扰最小原则,从中选择一个最佳针间距离。
2.根据权利要求1所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)分别构建单针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T1和双针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T2,T1或T2中包含放电针和电极板;
(2)在T1中以单针头的中心作为球体中心同时在T2中以双针头的中心连线的中点作为球体中心构建半径相同的球体状电场模拟空间域;
(3)在T1中添加第一类特征点,在T2中添加第一类特征点和第二类特征点,第一类特征点用于确定单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度的接近程度,第二类特征点用于确定双针头纳米结构活性水离子发生器的双针头之间电场干扰程度;
(4)在T1或T2中添加各部件的材料属性,设置放电针内的材料为液态水,相对介电常数为80.2,电极板的材料为金属,球体状电场模拟空间域内的材料为空气,其他参数为默认参数;
(5)采用静电模,设定放电针底面接电压为Vx,电极板接地,其电压为0V;
(6)网格划分,单元格大小设置为“超细化”;
(7)提取第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;
(8)利用参数化扫描功能,提取不同针间距离2di条件下T2中第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;
(9)根据T1和T2中第一类特征点处的电场强度确定不同针间距离对应的T2与T1的电场强度的接近程度,并判断电场强度与T1最接近的T2是否唯一,如果是,则将该T2的针间距离作为最佳针间距离;反之,则进入下一步;
(10)根据T2中第二类特征点处的电场强度确定T2中双针头之间电场干扰程度,以电场干扰程度最小的T2的针间距离作为最佳针间距离。
3.根据权利要求2所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(1)中,构建采用Comsol Multiphysics或Ansys Maxwell仿真软件;放电针为中空圆柱,内径为2ri,外径为2ro,高度为h;电极板为圆板,直径为2Ro,厚度为H;放电针与电极板之间的距离为D。
4.根据权利要求3所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(2)中,球体的半径为W,W>di+Ro。
5.根据权利要求4所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(3)中,T1中,单针头的中心点SA1的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1),第t个第一类特征点SAt的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1-D×(t-1)/(p-1)),t=2,3…p;T2中,其中一个针头的中心点DA1的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1),第t个第一类特征点DAt的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1-D×(t-1)/(p-
1)),t=2,3…p,双针头的中心连线的中点CA1的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1),|XCA1-XDA1|=di,第k个第二类特征点CAk的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1-D×(k-1)/(q-1)),k=2,3…q;p≥3,q≥3。
6.根据权利要求5所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(8)中,Ro≤di≤dm,具体过程为:选用参数化扫描功能,以参数di为研究参数,设定起始值、步长以及停止值,根据研究需求设定稳态求解器中的各项参数,在结果中导出一维绘图组--点图,通过数据导出的形式提取不同特征点处的电场强度值。
7.根据权利要求6所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(9)中,电场强度的接近程度的指标为Q(di),其数值越小越接近,计算公式如下:
|(ESA1-EDA1(di))2+(ESA2-EDA2(di))2+(ESA3-EDA3(di))2...+(ESAp-EDAp(di))2|=Q(di)式中,ESA1、ESA2、ESA3…ESAp分别为点SA1、点SA2、点SA3…点SAp处的电场强度值,EDA1(di)、EDA2(di)、EDA3(di)…EDAp(di)分别为点DA1、点DA2、点DA3…点DAp处的电场强度值。
8.根据权利要求7所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其特征在于,步骤(10)中,电场干扰程度的指标为P(di),其数值越小干扰程度越小,计算公式如下:
ECA1(di)+ECA2(di)+ECA3(di)...+ECAq(di)=P(di);
式中,ECA1(di)、ECA2(di)、ECA3(di)…ECAq(di)分别为点CA1、点CA2、点CA3…点CAq处的电场强度值。

说明书全文

多针头纳米结构活性离子发生器针间距离的确定方法

技术领域

[0001] 本发明属于水离子多针头发生装置技术领域,涉及一种多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法。

背景技术

[0002] 纳米结构活性水离子是一种纳米级水液滴包裹着大量活性成分(包含羟基自由基、超氧自由基等)和电子的两相物质结构,目前已成功应用于空气净化、食品保鲜、美容护肤等领域。工业大规模化生产的需求使得纳米结构活性水离子的多针头设计成为必不可缺的趋势。纳米结构活性水离子多针头设计中最关键的是确定针头两两之间的距离,而目前对纳米结构活性水离子的针头间距设计存在研究空白。
[0003] 因此,研究一种多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法具有十分重要的意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决现有技术中对纳米结构活性水离子的针头间距设计存在研究空白的问题,提供一种多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法。本发明通过软件模拟的方式,确定两两针头之间的最佳距离,为纳米结构活性水离子多针头发生装置的设计及产业化应用提供理论依据。
[0005] 为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
[0006] 多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,对单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度进行仿真,将不同针间距离的双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度与单针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度进行对比,以在针尖处的电场强度最接近作为判据,确定最佳针间距离,若同时存在多个最佳针间距离,则根据双针头之间电场干扰最小原则,从中选择一个最佳针间距离。
[0007] 作为优选的技术方案:
[0008] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,具体步骤如下:
[0009] (1)分别构建单针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T1和双针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T2,T1或T2中包含放电针和电极板;
[0010] (2)在T1中以单针头的中心作为球体中心同时在T2中以双针头的中心连线的中点作为球体中心构建半径相同的球体状电场模拟空间域;
[0011] (3)在T1中添加第一类特征点,在T2中添加第一类特征点和第二类特征点,第一类特征点用于确定单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度的接近程度,第二类特征点用于确定双针头纳米结构活性水离子发生器的双针头之间电场干扰程度;
[0012] (4)在T1或T2中添加各部件的材料属性,设置放电针内的材料为液态水,相对介电常数为80.2,电极板的材料为金属,球体状电场模拟空间域内的材料为空气,其他参数为默认参数;
[0013] (5)采用静电模,设定放电针底面接电压为Vx,电极板接地,其电压为0V;
[0014] (6)网格划分,单元格大小设置为“超细化”;
[0015] (7)提取第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;
[0016] (8)利用参数化扫描功能,提取不同针间距离2di条件下T2中第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;
[0017] (9)根据T1和T2中第一类特征点处的电场强度确定不同针间距离对应的T2与T1的电场强度的接近程度,并判断电场强度与T1最接近的T2是否唯一,如果是,则将该T2的针间距离作为最佳针间距离;反之,则进入下一步;
[0018] (10)根据T2中第二类特征点处的电场强度确定T2中双针头之间电场干扰程度,以电场干扰程度最小的T2的针间距离作为最佳针间距离。
[0019] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(1)中,构建采用Comsol Multiphysics或Ansys Maxwell仿真软件;放电针为中空圆柱,内径为2ri,外径为2ro,高度为h;电极板为圆板,直径为2Ro,厚度为H;放电针与电极板之间的距离为D。
[0020] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(2)中,球体的半径为W,W>di+Ro。
[0021] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(3)中,T1中,单针头的中心点SA1的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1),第t个第一类特征点SAt的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1-D×(t-1)/(p-1)),t=2,3…p;T2中,其中一个针头的中心点DA1的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1),第t个第一类特征点DAt的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1-D×(t-1)/(p-1)),t=2,3…p,双针头的中心连线的中点CA1的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1),|XCA1-XDA1|=di,第k个第二类特征点CAk的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1-D×(k-1)/(q-1)),k=2,3…q;p≥3,q≥3,p和q的个数由实际精度要求决定。
[0022] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(8)中,Ro≤di≤dm(dm根据实际需求设定),具体过程为:选用参数化扫描功能,以参数di为研究参数,设定起始值、步长以及停止值,根据研究需求设定稳态求解器中的各项参数,在结果中导出一维绘图组--点图,通过数据导出的形式提取不同特征点处的电场强度值。
[0023] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(9)中,电场强度的接近程度的指标为Q(di),其数值越小越接近,计算公式如下:
[0024] |(ESA1-EDA1(di))2+(ESA2-EDA2(di))2+(ESA3-EDA3(di))2...+(ESAp-EDAp(di))2|=Q(di)[0025] 式中,ESA1、ESA2、ESA3…ESAp分别为点SA1、点SA2、点SA3…点SAp处的电场强度值,EDA1(di)、EDA2(di)、EDA3(di)…EDAp(di)分别为点DA1、点DA2、点DA3…点DAp处的电场强度值。
[0026] 如上所述的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,步骤(10)中,电场干扰程度的指标为P(di),其数值越小干扰程度越小,计算公式如下:
[0027] ECA1(di)+ECA2(di)+ECA3(di)...+ECAq(di)=P(di);
[0028] 式中,ECA1(di)、ECA2(di)、ECA3(di)…ECAq(di)分别为点CA1、点CA2、点CA3…点CAq处的电场强度值。
[0029] 有益效果:
[0030] 本发明的多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,通过软件模拟的方式,确定两两针头之间的最佳距离,简单易行,方便快捷,为纳米结构活性水离子多针头发生装置的设计及产业化应用提供理论依据,极具推广价值。附图说明
[0031] 图1为单针头几何模型的示意图;
[0032] 图2为双针头几何模型的示意图。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0034] 多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法,其具体步骤如下:
[0035] (1)分别构建单针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T1(如图1所示)和双针头纳米结构活性水离子发生器的三维几何模型T2(如图2所示),T1或T2中包含放电针和电极板;其中,构建采用Comsol Multiphysics或Ansys Maxwell仿真软件;放电针为中空圆柱,内径为2ri,外径为2ro,高度为h;电极板为圆板,直径为2Ro,厚度为H;放电针与电极板之间的距离为D;
[0036] (2)在T1中以单针头的中心作为球体中心同时在T2中以双针头的中心连线的中点作为球体中心构建半径相同的球体状电场模拟空间域;其中,球体的半径为W,W>di+Ro;
[0037] (3)在T1中添加第一类特征点,在T2中添加第一类特征点和第二类特征点,第一类特征点用于确定单针头纳米结构活性水离子发生器和双针头纳米结构活性水离子发生器的电场强度的接近程度,第二类特征点用于确定双针头纳米结构活性水离子发生器的双针头之间电场干扰程度;其中,T1中,单针头的中心点SA1的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1),第t个第一类特征点SAt的坐标为(XSA1,YSA1,ZSA1-D×(t-1)/(p-1)),t=2,3…p;T2中,其中一个针头的中心点DA1的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1),第t个第一类特征点DAt的坐标为(XDA1,YDA1,ZDA1-D×(t-1)/(p-1)),t=2,3…p,双针头的中心连线的中点CA1的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1),|XCA1-XDA1|=di,第k个第二类特征点CAk的坐标为(XCA1,YDA1,ZDA1-D×(k-1)/(q-1)),k=2,3…q;p≥3,q≥
3;
[0038] (4)在T1或T2中添加各部件的材料属性,设置放电针内的材料为液态水,相对介电常数为80.2,电极板的材料为金属铁,球体状电场模拟空间域内的材料为空气,其他参数为默认参数;
[0039] (5)采用静电模块,设定放电针底面接电压为Vx,电极板接地,其电压为0V;
[0040] (6)网格划分,单元格大小设置为“超细化”;
[0041] (7)提取第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;
[0042] (8)利用参数化扫描功能,提取不同针间距离2di条件下T2中第一类特征点和第二类特征点处的电场强度值;其中,Ro≤di≤dm,具体过程为:选用参数化扫描功能,以参数di为研究参数,设定起始值、步长以及停止值,根据研究需求设定稳态求解器中的各项参数,在结果中导出一维绘图组--点图,通过数据导出的形式提取不同特征点处的电场强度值;
[0043] (9)根据T1和T2中第一类特征点处的电场强度确定不同针间距离对应的T2与T1的电场强度的接近程度,并判断电场强度与T1最接近的T2是否唯一,如果是,则将该T2的针间距离作为最佳针间距离;反之,则进入下一步;其中,电场强度的接近程度的指标为Q(di),其数值越小越接近,计算公式如下:
[0044] |(ESA1-EDA1(di))2+(ESA2-EDA2(di))2+(ESA3-EDA3(di))2...+(ESAp-EDAp(di))2|=Q(di)[0045] 式中,ESA1、ESA2、ESA3…ESAp分别为点SA1、点SA2、点SA3…点SAp处的电场强度值,EDA1(di)、EDA2(di)、EDA3(di)…EDAp(di)分别为点DA1、点DA2、点DA3…点DAp处的电场强度值;
[0046] (10)根据T2中第二类特征点处的电场强度确定T2中双针头之间电场干扰程度,以电场干扰程度最小的T2的针间距离作为最佳针间距离;其中,电场干扰程度的指标为P(di),其数值越小干扰程度越小,计算公式如下:
[0047] ECA1(di)+ECA2(di)+ECA3(di)...+ECAq(di)=P(di);
[0048] 式中,ECA1(di)、ECA2(di)、ECA3(di)…ECAq(di)分别为点CA1、点CA2、点CA3…点CAq处的电场强度值。
[0049] 采用该多针头纳米结构活性水离子发生器针间距离的确定方法确定一种双针头纳米结构活性水离子发生器的针尖距离,具体是:
[0050] 先通过Comsol Multiphysics软件,设计放电针的内径为2ri=0.013cm,外径为2ro=0.031cm,高度为h=1cm;电极板的直径为2Ro=2cm,厚度为H=0.2cm;放电针与电极板之间的距离为D=-0.5cm;球体的半径为W=10cm;
[0051] 再设定p=q=3,利用几何建模功能设定在T1中,第1个第一类特征点(即单针头的中心点)SA1的坐标为(0,0,7),第2个第一类特征点SA2的坐标为(0,0,4.5),第3个第一类特征点SA3的坐标为(0,0,2);在T2中,其中,第1个第一类特征点(即一个针头的中心点)DA1的坐标为(-di,0,7),第2个第一类特征点DA2的坐标为(-di,0,4.5),第3个第一类特征点DA3的坐标为(-di,0,2),第1个第二类特征点(即双针头的中心连线的中点)CA1的坐标为(0,0,7),第2个第二类特征点CA2的坐标为(0,0,4.5),第3个第二类特征点CA3的坐标为(0,0,2);
[0052] 然后设定放电针底面接电压为Vx=-5kV;
[0053] 再通过Comsol Multiphysics软件自动计算得到点SA1、点SA2和点SA3的电场强度值分别为ESA1=3475554.05V/m、ESA2=180439.09V/m、ESA3=57287.47V/m;
[0054] 在选用参数化扫描功能时,以参数di为研究参数,设定起始值为2cm、步长为0.25cm以及停止值为5cm,设定“稳态求解器”中的“直接”—“求解器”为“PARDISO”,其余为默认值;在结果中导出一维绘图组--点图,通过数据导出的形式提取不同特征点处的电场强度值依次为:
[0055]
[0056]
[0057] 将ESA1=3475554.05V/m、ESA2=180439.09V/m、ESA3=57287.47V/m以及EDA1(di)、EDA2(di)、EDA3(di)代入步骤(9)中的公式进行计算,当di=4.75cm时,Q(di=0.0475)=Qmin(di)=37190.4753,即双针头间距为9.5cm为此条件下的最佳针间距离。
[0058] 将软件模拟中的参数在实际的双针头纳米结构活性水离子发生器中进行验证,利用18MΩ·cm的高纯水作为纳米活性水离子的供液来源,设定放电针底面接电压为-5kV,液体流速为1.2μL/min。通过调节双针头之间的距离,观察双针头纳米结构活性水离子发生器两个针头是否可以形成稳定的泰勒锥和纳米结构活性水离子来验证双喷头的最佳距离。下表展示了实际实验的观察过程,从表中可以发现,在9.5cm间距时,装置可以产生稳定的泰勒锥,同时可以产生纳米结构水离子;当间距大于9.5cm时,虽然装置也可以产生纳米结构活性水离子,但此时双针头间距较大,从实际应用度来看,过大的距离会造成不必要的资源浪费,因此,从实际实验的角度来看,9.5cm是此实施例的最佳间距。
[0059]
[0060]
[0061] 测试该双针头纳米结构活性水离子发生器,当双针头间距为9.5cm时,双针头在静电雾化时所形成的泰勒锥比较稳定,能够稳定、连续产生尺寸较为均匀的纳米结构活性水离子,从而提升装置的产生效率;这说明本申请的方法可以为多喷头纳米结构活性水离子装置的针尖距离设定提供理论依据。
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