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液相擾動對水中預擊穿過程的影響

時間:2021年07月15日 分類:科學技術論文 次數:

摘要:長脈沖下的水中預擊穿過程往往伴隨著局部液體的擾動,而關于液相擾動的影響作用卻鮮有研究。本文對超長脈沖條件下(脈寬100ms)的水中預擊穿過程展開了研究,深入探討了氣泡、流注的發展模式及其差異,并闡釋了液相擾動對氣泡、流注發展的影響機制。研究

  摘要:長脈沖下的水中預擊穿過程往往伴隨著局部液體的擾動,而關于液相擾動的影響作用卻鮮有研究。本文對超長脈沖條件下(脈寬>100ms)的水中預擊穿過程展開了研究,深入探討了氣泡、流注的發展模式及其差異,并闡釋了液相擾動對氣泡、流注發展的影響機制。研究表明,氣泡、流注在液相擾動中發展時具有更飽滿光滑的形態,更快的傳播速度。氣泡、流注巨大的電導率差異導致了兩者發展模式的不同:氣泡的發展屬于根部推動式,橫、縱發展速度相當;流注的發展屬于頂部牽引式,縱向發展速度遠大于橫向。進一步分析表明,擾動相中更高的液體溫度與流動有利于氣泡、流注的生長傳播和形態穩定,同時擾動-靜止相交界處形成的湍流會引發流注的分叉現象。

  關鍵詞:水中放電;預擊穿過程;液相擾動;氣泡、流注發展模式;分叉現象

高電壓技術

  0引言因水中放電具有豐富的物化效應,會產生活性粒子、沖擊波和UV紫外線等物質[1-2],目前已被廣泛應用于納米材料制備、水下探測、水質處理以及能源開發等領域[3-6]。水中放電的預擊穿過程對放電效應影響顯著,對預擊穿過程中放電發展機理的研究是人們關注的重點。由于水介質的平均自由程很短(3Ǻ)且電子極易被俘獲(壽命ps級),電子難以獲得足夠的動能引發雪崩電離,故水介質的理論擊穿場強很高(>1MV/mm)[7]。然而相關試驗表明,水介質的實際擊穿場強遠低于理論預測值(可低至1kV/mm)[8]。

  為此,現有理論普遍認為在放電起始階段產生了低密度區域(如微氣泡、空腔、孔隙等),提高了水分子的平均自由程,為雪崩電離的實現創造了條件[9-10]。不同脈沖持續時間尺度下,低密度區的形成機理有所不同:皮、納秒短脈沖下,瞬變電場的電致伸縮作用將使電極周圍的液體拉伸形變,直至液體撕裂形成微空腔[11-12];微、毫秒長脈沖下,焦耳加熱作用使得局部液體汽化產生微氣泡,該過程中還伴隨著明顯的液體介質擾動[13-16]。

  此外,相關研究發現液相擾動不僅與低密度區的形成有關,還會影響放電后續的發展。例如文獻[17]的研究結果顯示:液相擾動會導致氣泡脫離電極或邊緣破裂,無法進一步轉變為流注;氣泡群落會隨液體擾動分散運動,無法在間隙形成―氣泡小橋‖引發擊穿。

  綜上所述,擾動相中液體介質的物理參數(溫度、流動等)變化復雜,勢必會對氣泡、流注的發展產生影響,給長脈沖下的預擊穿過程分析帶來了困難。然而,液相擾動對預擊穿過程的影響目前缺乏深入研究,厘清其作用機制是十分必要的。本文搭建了水中放電試驗觀測平臺,借助高速陰影觀測等技術手段,研究了超長脈沖條件下液相擾動對水中預擊穿過程的影響,探究了氣泡和流注的發展模式及其差異,最后闡釋了液相擾動對氣泡、流注發展的影響機制。

  1水中放電試驗觀測平臺

  主要包括充電單元、放電單元以及測量單元。充電單元包括干式試驗變壓器與整流模塊,最大充電電壓c可達50kV。放電單元包括儲能電容(135μF)、限流電阻(0.53kΩ)、繼電開關和放電觀測水箱。通過充電單元對電容進行充電,達到設定電壓后,觸發開關閉合,此時主放電回路導通,電容對水間隙放電。實驗中采用不銹鋼針-板電極,針電極尖端半徑為0.5mm,平板電極半徑為15mm,間隙距離為10mm,水溶液電導率為60μS/cm。

  測量單元包括信號測量模塊和圖像采集模塊,其中間隙電壓g、電流信號g分別通過高壓探頭(TektronixP6015A)和電流探頭(CybertekCP8050A)采集,并儲存于高分辨率示波器(LecroyHDO6054A)中。圖像采集模塊基于一套緊湊型陰影觀測系統,放電過程通過一臺配有200mm微距鏡頭的高速攝影機(NACACS-1M60)進行采集,曝光時間為1.1μs,鏡頭光圈設置為F5.6。

  2超長脈沖下的預擊穿過程

  總體上看,預擊穿過程主要包括液相擾動、氣泡爆發和流注擊穿三個階段。在液相擾動和氣泡爆發階段,間隙電壓、電流的變化緩慢且平穩,分別呈現減小與增加的趨勢,表明間隙電阻亦呈緩慢減小的趨勢。當電壓、電流和電阻的迅速變化時,可見明顯的波形轉折點(4.92ms),標志著放電進入流注擊穿階段。此外,實驗中還發現液相擾動對流注的形態與發展具有顯著的影響,間隙擊穿模式可以分為全擾動相擊穿和半擾動相擊穿兩種。

  3氣泡、流注的發展差異

  3.1氣泡、流注的發展模式正常狀態下水蒸氣的電導率極低(約3.2×10−6μS/cm[19]),而在電場作用下氣泡內蒸汽的平均電導率增加(可達21.3μS/cm[20])。氣泡爆發階段產生的大量氣泡對間隙電阻影響甚微,側面證實了氣泡導電率與液體電導率(60μS/cm)相近(同數量級)。另一方面,當氣泡轉變為流注時,可觀測到電流迅增、電阻驟減以及氣泡電離發光,表明了氣泡內部發生了擊穿,此時可將流注視作良導體(后續計算表明電導率在1×106μS/cm級)。考慮到焦耳加熱是長脈沖下氣泡、流注發展的主要驅動力,氣泡與流注導電率的巨大差異(4個數量級)顯然會對兩者的發展特性帶來影響。

  氣泡的發展屬于根部推動式:靠近電極的氣泡底部優先生長,而后推動氣泡整體的發展;氣泡的橫、縱向發展速度相當(約2m/s),具有近似橢球的外觀。流注的發展屬于頭部牽引式:流注尖端的優先生長,并帶動流注整體的發展;流注的縱向發展速度遠大于橫向發(縱-橫速度比值在正極性下約為3倍,負極性下約10倍),具有類錐體的外觀。

  3.2氣泡、流注的發展分析為了闡釋氣泡、流注的發展模式,厘清二者的發展差異,本節將基于有限元仿真進一步分析。3.2.1擾動相液體參數實驗結果顯示,液相擾動對氣泡、流注的發展影響巨大,故需要擾動相中液體溫度的差異。

  4液相擾動對氣泡、流注發展的影響實驗結果無疑表明,靜止相與擾動相在液體溫度、流動狀態上的差異,會對氣泡、流注的發展產生明顯的影響。

  電力論文投稿刊物:高電壓技術期刊根據電力生產、建設、科研、教學需要提供導向性、實用性信息及技術措施,推廣實用技術的成果,為我國科技發展、領導決策、促進生產發揮接口、載體和橋梁作用。本刊報道內容包括高壓設備、輸電線路、系統暫態、測試工程、電磁、城網供電、電力電子等及生態環保生物醫療等邊緣、交叉學科。既有基礎理論研究也有工程實踐應用。

  5結論

  本文對超長脈沖下水中放電的預擊穿過程展開了研究,深入探討了液相擾動對氣泡-流注發展的影響,得到如下研究結論。

  (1)氣泡、流注在液相擾動中發展時具有更飽滿光滑的形態,更快的傳播速度;隨著施加電壓的提高,間隙的擊穿模式由全擾動相擊穿轉變為半擾動相擊穿。(2)氣泡與流注巨大的電導率差異導致了兩者發展特性的差別:氣泡的發展屬于根部推動式,其橫、縱向發展速度相當,具有橢球狀外觀;流注的發展屬于頭部牽引式,其縱向發展速度遠大于橫向,具有類錐體外觀。(3)擾動相中更高的液體溫度與流動,有利于氣泡、流注的生長傳播和形態穩定;在擾動-靜止相交界處會形成湍流,是引發流注分叉現象的重要原因。

  參考文獻

  [1]邢政偉,王志強,曹云霄,等.水中脈沖電弧放電等離子體通道直接沖擊壓力特性[J].高電壓技術,2019,45(3):832-838.XingZW,WangZQ,CaoYX,etal.DirectImpactPressureCharacteristicsofPulsedArcDischargePlasmaChannelinWater[J].HighVoltageEngineeing,2019,45(3):832-838(inChinese).

  [2]李顯東,劉毅,李志遠,等.不均勻電場下水中脈沖放電觀測及沉積能量對激波的影響[J].中國電機工程學報,2017,37(10):3028-3036.LiXD,LiuY,LiZY,etal.ObservationofUnderwaterPulseDischargeandInfluenceofDepositedEnergyonShockWaveinNon-uniformElectricField[J].ProceedingsofTheChineseSocietyforElectricalEngineering,2017,37(10):3028-3036(inChinese).

  [3]喻越,朱鑫磊,黃昆,等.應用于石油解堵增產的水中脈沖放電特性實驗研究[J].高電壓技術,2020,46(8):2951-2959.

  作者:李顯東,何樺,肖天飛,熊鼎,李劍

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