不均匀电场下水中微秒脉冲放电过程及机理研究

摘要

水中脉冲放电具有丰富的物理化学效应，例如产生活性粒子、紫外辐射、液电效应等，目前已被广泛应用于污水处理、材料回收、体外碎石、油井增产等领域。同时，水具有高介电常数、高脉冲击穿场强，适合作为脉冲功率系统元件的储能介质，如水开关、水电容、水电阻等。为了促进水介质在脉冲功率技术中的应用，需要深入研究水中脉冲放电机理与脉冲击穿特性。以往的研究主要关注纳秒级短脉冲电压作用下的水中放电过程，而对微、毫秒级长脉冲电压作用下的水中放电过程研究较少。此外，水中脉冲放电涉及到多种物理介质（等离子体、气体、液体）的相互作用，作用机理复杂，至今尚未形成一套通用、完整的水中脉冲放电理论。因此，本文将围绕不均匀电场中微秒脉冲电压下的水中放电过程及机理，开展试验与理论研究工作 首先，研究了微秒脉冲电压作用下的水中流注发展与形态演变过程，阐释了水中流注的起始、传播、分叉和溃散的物理过程及内在机理，深入分析了充电电压和电极设置对水中流注发展和形态的影响。水中流注的起始过程包括低密度阴影区的形成与扩张、初始气泡的形成与膨胀以及初始流注的产生，强电场作用下的局部强化焦耳加热作用，是低密度阴影区和初始气泡形成的重要原因。水中流注的传播模式包括：正极性亚音速模式，流注以气泡簇的形式传播，传播速度较稳定，平均传播速度为22.9~76.6m/s；正极性超音速模式，流注以强发光树枝状流注的形式传播，传播速度极快，可达30km/s；负极性亚音速模式，流注以多分叉树枝状流注的形式传播，传播速度呈周期性变化，平均传播速度为98.4~367.8m/s。对亚音速流注而言，随着充电电压的升高，流注发光变强，流注传播速度近似线性增长，正极性流注形态变得更加尖锐，转化为超音流注的概率变高，而负极性流注的分叉数目增多；亚音速流注的传播和形态呈现出“反常”极性效应，即正极性流注的传播速度更低，流注根部更粗壮。水中流注传播和形态的极性效应，被认为与电子和离子迁移率的巨大差异造成的局部空间电荷聚集有关。 其次，研究了微秒脉冲电压下的水中电弧放电及其液电效应，观测了水中电弧、气泡的发展过程，提出了一种考虑电弧阻抗时变特性的电弧沉积能量与平均电阻计算方法，探讨了电弧沉积能量、平均电阻与液电脉冲激波强度的关系，分析了预击穿时延、初始电弧形态和流注发展模式对激波强度的影响。当满足准静态条件时（电弧电感的时间变化率远小于电弧电阻），若积分区间为任意两个电流零点，则电弧瞬时功率的积分值近似等于电弧的沉积能量。电弧的沉积能量与平均电阻在首个电流半振荡周期达到最大，此后每个电流半振荡周期的沉积能量逐渐减小，但电弧平均电阻呈振荡变化。试验中，激波压强峰值Pm?与首个电流半振荡周期沉积能量ER1满足拟合表达式Pm=0.36·ER10.4。电弧平均电阻越大，越有利于能量的沉积，以及激波强度的提高；预击穿时延越长，电容残余能量越低，激波强度越弱；初始电弧长度越长，电弧电阻越大，沉积能量越大，激波越强。流注发展模式通过决定预击穿时延和电弧初始形态，从而影响沉积能量的大小，最终影响激波的强度。 最后，研究了微秒脉冲电压下的水中击穿特性及其极性效应，着重探讨了间隙距离、脉冲持续时间对击穿特性及其极性效应的影响，提出了一种考虑间隙击穿模式转变影响的击穿电压预测模型，以及基于极性效应变化点的极性效应区域划分理论。当间隙距离、脉冲持续时间改变时，正极性击穿模式会发生转变，并最终引起击穿特性极性效应的变化。击穿电压特性曲线存在两个极性效应变化点，而预击穿时延特性曲线仅有一个极性效应变化点。根据极性效应变化点的位置，可将极性效应按种类划分为四个区域：区域Ⅰ，正极性的击穿电压更低，预击穿时延更长；区域Ⅱ，正极性的击穿电压更高，预击穿时延更长；区域Ⅲ，正极性的击穿电压更高，预击穿时延更短；区域Ⅳ，正极性的击穿电压更低，预击穿时延更短。

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