第一作者：吴骄阳

通讯作者：李储鑫, 董智超

通讯单位：中国科学技术大学；中国科学院理化技术研究所

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522101

    摘要

在高湿、低风速环境中，空气中的微米级雾滴惯性极低，常规网状滤材或被动集雾器很难截住雾滴，除雾/去湿效率随风速下降而急剧衰减。研究团队提出一种“微液滴吸入式旋转扇片（MIST）”，通过旋转叶片在装置周围形成稳定低压区，主动吸入含雾空气并将雾滴导向捕集界面；同时借助离心力实现快速排液，显著降低液体滞留。在模拟雾环境与实地辐射雾中，该装置实现高效除雾与液滴收集：野外测试最高达13.8 L m−2 h−1；在特定雾工况下单位能耗产水可达86 L kWh−1，优于常规除湿系统。更直观的是，在密闭腔体内，装置可在约40 s内将视野从“白雾遮挡”恢复到接近清晰状态，展示了快速除雾去湿的应用潜力。

一、为什么低风速高湿场景特别难除雾？

雾并不是水蒸气本身，而是大量悬浮在空气中的液态微小水滴。辐射雾等典型场景往往风速低于1 m s−1、雾滴尺度集中在几微米到十微米量级（例如3–10 µm）。在这种“低风速+小液滴”的组合下，液滴的惯性非常小，容易跟随气流绕过过滤/捕集结构，导致：

1）被动式网格/表面捕集效率明显下降，风越静，收集越难；

2）即使捕到液滴，也常依赖重力排液，排液慢会造成液体滞留、二次夹带、效率衰减；

3）对于除雾去湿应用，核心目标是尽快降低空气中的液滴浓度、恢复能见度，但传统方案往往需要更大风量、更高压降或更高能耗。

因此，要在低风速高湿环境实现高效除雾，关键不只是“做一张更粘的滤网”，而是要让含雾空气主动进入装置，并让液滴主动吸入+惯性捕集+离心排液（不靠环境风）

基于这个研究目标，设计的装置可以概括为三步协同：

（1）主动吸入：旋转叶片诱导低压区，扩大“有效进雾截面”

装置由多片扇形叶片组成，工作时高速旋转。旋转带来的压强差在叶片周围形成稳定低压区，从而把周围更大范围内的含雾空气“吸”进来。作者用粒子成像测速定量定义了“气动吸入效率ηac”，并显示MIST在相同工况下的ηac可达560.8%±6.6%，显著高于对照结构（26.8%±4.6%），意味着装置的有效吸入范围远大于其几何投影面积。

（2）惯性捕集：提升液滴撞击概率，减少随流绕行

雾滴要被捕获，必须从流线中“脱离”并撞击到捕集界面。研究通过优化叶片角度、叶片数量和表面微结构阵列，使得靠近叶片的相对速度增加，液滴Stokes数提高，从而更容易发生惯性撞击。实验计算得到该装置的捕集效率约38.7%，而对照装置仅约4.7%，说明主动流场与结构设计能显著提升小雾滴的截留能力。

（3）快速排液：离心力驱动自排水，降低液体滞留

除雾去湿装置的持续工作能力，往往被“积水”限制：液体在表面滞留会堵塞通道、重新雾化或降低有效面积。MIST在约4000 rpm工作时，叶片表面的离心加速度可达约358 g，捕到的液滴会被快速甩向外缘并导出。数据显示：捕获的水中约93.4%可在前10 s排出；30 min内排液效率可达99.9%，显著优于静态对照（10 s内几乎无排液）。

图1：装置整体结构与工作示意（论文Figure 1a/1c）

研究设计了一个密闭玻璃腔体（40 cm×23 cm×25 cm）作为人工浓雾环境，比较三种方式：自然消散、无微结构的旋转装置、以及完整MIST装置。结果显示：MIST可在约40±2 s内把测量点的灰度值降到接近清晰水平（约31±4），实现快速能见度恢复；相比之下，自然消散需要>400 s；简化结构也需要>250 s才能达到类似清晰度。值得注意的是，该除雾过程不依赖外部来风，旋转本身即可驱动雾气迁移与捕集，这对隧道、冷库、温室、港口、室外设备箱等“低风+高湿”场景尤其关键。

图2：除雾演示40 s前后对比（论文Figure 4d）

图3：能耗效率对比示意

在实地辐射雾测试中（江苏南通，风速约0.2–0.3 m s−1，能见度<200 m），MIST的集液速率达到13.8 L m−2 h−1，而对照的网状材料、静态结构等仅约0.10–0.13 L m−2 h−1，差异接近两个数量级。换个角度看，这意味着它能更快把空气中的雾滴搬走，同时把液滴转化成可排出的液体，从而实现高效去湿/除雾。作者还给出了在特定雾工况下的能耗指标：约86 L kWh−1，显示其在“有雾滴的高湿空气”中具备相对突出的能效优势。

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https://doi.org/10.1002/adma.202522101