【摘要】：為了探究沉積能量對(duì)水中脈沖放電產(chǎn)生激波的影響。該文建立了水中脈沖放電試驗(yàn)平臺(tái),研究了間隙電壓為30k V,間隙距離為15mm,針 針電極條件下不均勻電場(chǎng)中的水中脈沖放電。采用高速攝像機(jī)對(duì)水中脈沖放電過程進(jìn)行了光學(xué)觀測(cè),并結(jié)合激波壓強(qiáng)、電弧電壓、電流等測(cè)量參量對(duì)電弧、氣泡形態(tài)與運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律進(jìn)行了綜合分析。為了研究沉積能量對(duì)激波的影響,提出了時(shí)變電弧阻抗條件下沉積能量與電弧平均電阻的計(jì)算方法,分析了每個(gè)半周期沉積能量與電弧平均電阻的變化,給出了沉積能量與激波壓強(qiáng)峰值的關(guān)系表達(dá)式。所得結(jié)論能促進(jìn)對(duì)水中脈沖放電激波的產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí),以便實(shí)現(xiàn)更高的激波強(qiáng)度。
【圖文】：

3030中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第37卷t/μs壓電kV/電流，kA/10010040201003005003010強(qiáng)壓M/Pa1.50.01.53.06.04.5U0UbPmtdelImIleak電壓壓強(qiáng)電流圖2典型水中脈沖放電波形Fig.2Typicalwaveformofunderwaterpulsedischarge因間隙并未擊穿，間隙間僅流過泄漏電流，根據(jù)電壓的衰減波形可以推算得到間隙泄漏電阻約為250Ω，泄漏電流Ileak=120A。本例所屬100μs量級(jí)的預(yù)擊穿過程屬于電熱擊穿過程[17-19]。在電熱擊穿過程中會(huì)在間隙間產(chǎn)生氣泡，并在氣泡間擊穿形成流注通道。期間產(chǎn)生的激波是極為微弱的，不能被試驗(yàn)中采用的壓力探頭所捕獲。2）電弧放電過程(204.2~342.7μs)。間隙電壓開始從擊穿時(shí)刻電壓Ub迅速下降，間隙電流則迅速上升，由于回路電阻較小，電壓、電流之后會(huì)進(jìn)入欠阻尼振蕩衰減過程。根據(jù)以往的研究結(jié)果，激波由電流起始階段電弧的膨脹產(chǎn)生，在波形上電流與壓強(qiáng)波形存在一個(gè)激波傳遞產(chǎn)生的時(shí)延(約106μs)，對(duì)應(yīng)的傳播速度約為1604m/s，激波壓強(qiáng)迅速上升到峰值之后便下降并劇烈振蕩。值得注意的是電流的上升時(shí)間為10.2μs，明顯大于激波的上升時(shí)間2.9μs，兩者在時(shí)間上并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。3）熄弧后過程(>342.7μs)。電弧熄滅后，TVS斷開，電壓電流波形歸零。由圖2可知，雖然電弧熄滅，但壓力探頭仍能探測(cè)到激波壓強(qiáng)信號(hào)，此時(shí)的激波信號(hào)主要由氣泡空腔的脈動(dòng)以及被容器壁反射產(chǎn)生的激波形成。2電虎氣泡形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)過程圖3給出了高速攝影機(jī)拍攝的電虎氣泡運(yùn)動(dòng)過程及形態(tài)變化(L=15mm，Uc=30kV)。首先是電弧(氣泡)快速膨脹過程，此過程中電弧壁與氣泡壁重合；然后電弧(氣泡)膨脹速度降低，兩者的膨脹速度也出現(xiàn)了差異，導(dǎo)致電弧壁

由電流起始階段電弧的膨脹產(chǎn)生，在波形上電流與壓強(qiáng)波形存在一個(gè)激波傳遞產(chǎn)生的時(shí)延(約106μs)，對(duì)應(yīng)的傳播速度約為1604m/s，激波壓強(qiáng)迅速上升到峰值之后便下降并劇烈振蕩。值得注意的是電流的上升時(shí)間為10.2μs，明顯大于激波的上升時(shí)間2.9μs，兩者在時(shí)間上并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。3）熄弧后過程(>342.7μs)。電弧熄滅后，TVS斷開，電壓電流波形歸零。由圖2可知，雖然電弧熄滅，但壓力探頭仍能探測(cè)到激波壓強(qiáng)信號(hào)，此時(shí)的激波信號(hào)主要由氣泡空腔的脈動(dòng)以及被容器壁反射產(chǎn)生的激波形成。2電虎氣泡形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)過程圖3給出了高速攝影機(jī)拍攝的電虎氣泡運(yùn)動(dòng)過程及形態(tài)變化(L=15mm，Uc=30kV)。首先是電弧(氣泡)快速膨脹過程，此過程中電弧壁與氣泡壁重合；然后電弧(氣泡)膨脹速度降低，兩者的膨脹速度也出現(xiàn)了差異，導(dǎo)致電弧壁與氣泡壁間出現(xiàn)了暗度較低的過渡層；當(dāng)電弧半徑達(dá)到最大后，電弧開始進(jìn)入收縮 膨脹的周期性過程直至電弧熄滅，而氣泡一直保持膨脹。值得注意的是，在放電的初始階段，電弧形態(tài)并不為內(nèi)部均勻分布的通道結(jié)204μs207μs210μs213μs216μs222μs228μs234μs243μs249μs258μs264μs273μs279μs288μs345μs圖3電虎氣泡運(yùn)動(dòng)及形態(tài)變化Fig.3Movementandshapevariationsofarcandbubble構(gòu)；在電弧進(jìn)入周期性膨脹過程后，弧根與弧柱的膨脹速度不再相同，，形態(tài)亦有所區(qū)別；氣泡的輪廓隨著放電的發(fā)展，逐漸由圓柱體向球體變化。為了進(jìn)一步分析電虎氣泡的運(yùn)動(dòng)與形態(tài)變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)了圖3中弧根、弧柱及氣泡直徑隨時(shí)間的變化(如圖4所示)，同時(shí)還出了電弧電流波形與拍攝圖片時(shí)間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)圖(如圖5所示)以便分析說明。根據(jù)弧根、弧柱與氣泡(最大)直徑的變化，本文將放電過程分為放電起始階段、快速膨脹階?

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