不均匀电场下水中脉冲放电观测及沉积能量对激波的影响

发布时间：2019-11-11 19:19

【摘要】：为了探究沉积能量对水中脉冲放电产生激波的影响。该文建立了水中脉冲放电试验平台,研究了间隙电压为30k V,间隙距离为15mm,针针电极条件下不均匀电场中的水中脉冲放电。采用高速摄像机对水中脉冲放电过程进行了光学观测,并结合激波压强、电弧电压、电流等测量参量对电弧、气泡形态与运动变化规律进行了综合分析。为了研究沉积能量对激波的影响,提出了时变电弧阻抗条件下沉积能量与电弧平均电阻的计算方法,分析了每个半周期沉积能量与电弧平均电阻的变化,给出了沉积能量与激波压强峰值的关系表达式。所得结论能促进对水中脉冲放电激波的产生机理的认识,以便实现更高的激波强度。
【图文】：

波形,脉冲放电,波形

3030中国电机工程学报第37卷t/μs压电kV/电流，kA/10010040201003005003010强压M/Pa1.50.01.53.06.04.5U0UbPmtdelImIleak电压压强电流图2典型水中脉冲放电波形Fig.2Typicalwaveformofunderwaterpulsedischarge因间隙并未击穿，间隙间仅流过泄漏电流，根据电压的衰减波形可以推算得到间隙泄漏电阻约为250Ω，泄漏电流Ileak=120A。本例所属100μs量级的预击穿过程属于电热击穿过程[17-19]。在电热击穿过程中会在间隙间产生气泡，并在气泡间击穿形成流注通道。期间产生的激波是极为微弱的，不能被试验中采用的压力探头所捕获。2）电弧放电过程(204.2~342.7μs)。间隙电压开始从击穿时刻电压Ub迅速下降，间隙电流则迅速上升，由于回路电阻较小，电压、电流之后会进入欠阻尼振荡衰减过程。根据以往的研究结果，激波由电流起始阶段电弧的膨胀产生，在波形上电流与压强波形存在一个激波传递产生的时延(约106μs)，对应的传播速度约为1604m/s，激波压强迅速上升到峰值之后便下降并剧烈振荡。值得注意的是电流的上升时间为10.2μs，明显大于激波的上升时间2.9μs，两者在时间上并不存在对应关系。3）熄弧后过程(>342.7μs)。电弧熄灭后，TVS断开，电压电流波形归零。由图2可知，虽然电弧熄灭，但压力探头仍能探测到激波压强信号，此时的激波信号主要由气泡空腔的脉动以及被容器壁反射产生的激波形成。2电虎气泡形态变化与运动过程图3给出了高速摄影机拍摄的电虎气泡运动过程及形态变化(L=15mm，Uc=30kV)。首先是电弧(气泡)快速膨胀过程，此过程中电弧壁与气泡壁重合；然后电弧(气泡)膨胀速度降低，两者的膨胀速度也出现了差异，导致电弧壁

气泡运动,形态变化,电弧

由电流起始阶段电弧的膨胀产生，在波形上电流与压强波形存在一个激波传递产生的时延(约106μs)，对应的传播速度约为1604m/s，激波压强迅速上升到峰值之后便下降并剧烈振荡。值得注意的是电流的上升时间为10.2μs，明显大于激波的上升时间2.9μs，两者在时间上并不存在对应关系。3）熄弧后过程(>342.7μs)。电弧熄灭后，TVS断开，电压电流波形归零。由图2可知，虽然电弧熄灭，但压力探头仍能探测到激波压强信号，此时的激波信号主要由气泡空腔的脉动以及被容器壁反射产生的激波形成。2电虎气泡形态变化与运动过程图3给出了高速摄影机拍摄的电虎气泡运动过程及形态变化(L=15mm，Uc=30kV)。首先是电弧(气泡)快速膨胀过程，此过程中电弧壁与气泡壁重合；然后电弧(气泡)膨胀速度降低，两者的膨胀速度也出现了差异，导致电弧壁与气泡壁间出现了暗度较低的过渡层；当电弧半径达到最大后，电弧开始进入收缩膨胀的周期性过程直至电弧熄灭，而气泡一直保持膨胀。值得注意的是，在放电的初始阶段，电弧形态并不为内部均匀分布的通道结204μs207μs210μs213μs216μs222μs228μs234μs243μs249μs258μs264μs273μs279μs288μs345μs图3电虎气泡运动及形态变化Fig.3Movementandshapevariationsofarcandbubble构；在电弧进入周期性膨胀过程后，弧根与弧柱的膨胀速度不再相同，，形态亦有所区别；气泡的轮廓随着放电的发展，逐渐由圆柱体向球体变化。为了进一步分析电虎气泡的运动与形态变化规律，统计了图3中弧根、弧柱及气泡直径随时间的变化(如图4所示)，同时还出了电弧电流波形与拍摄图片时间点的对应图(如图5所示)以便分析说明。根据弧根、弧柱与气泡(最大)直径的变化，本文将放电过程分为放电起始阶段、快速膨胀阶?

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