电晕放电是指在不均匀电场中气体分子发生电离进而形成的一种较为稳定的放电现象。电流体动力学作为流体力学与经典电磁场理论相互交叉的学科,主要研究电场与流场、温度场等多物理场的耦合问题。电晕放电及其产生的流动传热问题属于电流体动力学的重要基础与应用研究方向。本文主要对针-环电极结构的电晕放电特性及其强化传热应用进行了研究。首先设计并搭建了电晕放电离子风实验系统,可以实现电压-电流特性、流动特性以及空间温度分布的同步测量。通过对经典针-板电极结构的电场特性以及流场结构进行测量,验证了实验系统的可靠性。重点对针-环电极结构的电流-电压关系、离子风流动特性以及其强化传热特性进行了研究,对离子风系统的强化传热性能进行了评估。实验结果表明,电极间距对针-环结构的伏安特性影响较小。正电晕放电所产生的离子风较负电晕放电更为有效,强化传热效果更加显著。例如,当电极间距为25 mm时,施加+15 kV电压离子风射流速度的最大值为2.47 m/s,而–15 kV时最大风速为2.03 m/s。评估结果表明,电晕离子风的引入可以显著提高加热铜板表面的平均Nusselt数,传热强化性能显著,同时整个系统功耗很低,经济性优势突出。其次,发展了一种耦合实验测量电流-电压数据的单种电荷的离子风快速数值模拟模型,通过对比数值模拟与实验结果,验证了模型的有效性和精度。然后,基于所建立的数值模型重点研究了不同热流密度条件下离子风强化传热效果,结果表明电晕离子风对于高热流密度情况散热效果更为显著。例如,当热流密度Q=2.0 W/m~2时,施加+15 kV电压以后加热铜板表面的温度由495 K降低至380 K。最后,以提高强化传热效果和降低能耗为目标,对离子风发生装置的结构进行了优化设计,并对相关特性进行了分析。实验结果表明,利用辅助电晕放电可以在不降低离子风作用范围的前提下有效地降低输入电压;而离子风与肋片主被动结合的方式可以在不增加功耗的基础上,大幅地提高整个系统的强化传热效果;采用针阵列和减小针尖曲率的方式同样可以有效地提高换热效果。这些创新设计为进一步提高离子风发生装置的效能提供了优化思路。