【摘要】：水中脈沖放電具有豐富的物理化學(xué)效應(yīng),例如產(chǎn)生活性粒子、紫外輻射、液電效應(yīng)等,目前已被廣泛應(yīng)用于污水處理、材料回收、體外碎石、油井增產(chǎn)等領(lǐng)域。同時(shí),水具有高介電常數(shù)、高脈沖擊穿場(chǎng)強(qiáng),適合作為脈沖功率系統(tǒng)元件的儲(chǔ)能介質(zhì),如水開關(guān)、水電容、水電阻等。為了促進(jìn)水介質(zhì)在脈沖功率技術(shù)中的應(yīng)用,需要深入研究水中脈沖放電機(jī)理與脈沖擊穿特性。以往的研究主要關(guān)注納秒級(jí)短脈沖電壓作用下的水中放電過程,而對(duì)微、毫秒級(jí)長(zhǎng)脈沖電壓作用下的水中放電過程研究較少。此外,水中脈沖放電涉及到多種物理介質(zhì)(等離子體、氣體、液體)的相互作用,作用機(jī)理復(fù)雜,至今尚未形成一套通用、完整的水中脈沖放電理論。因此,本文將圍繞不均勻電場(chǎng)中微秒脈沖電壓下的水中放電過程及機(jī)理,開展試驗(yàn)與理論研究工作首先,研究了微秒脈沖電壓作用下的水中流注發(fā)展與形態(tài)演變過程,闡釋了水中流注的起始、傳播、分叉和潰散的物理過程及內(nèi)在機(jī)理,深入分析了充電電壓和電極設(shè)置對(duì)水中流注發(fā)展和形態(tài)的影響。水中流注的起始過程包括低密度陰影區(qū)的形成與擴(kuò)張、初始?xì)馀莸男纬膳c膨脹以及初始流注的產(chǎn)生,強(qiáng)電場(chǎng)作用下的局部強(qiáng)化焦耳加熱作用,是低密度陰影區(qū)和初始?xì)馀菪纬傻闹匾�。水中流注的傳播模式包�?正極性亞音速模式,流注以氣泡簇的形式傳播,傳播速度較穩(wěn)定,平均傳播速度為22.9~76.6 m/s;正極性超音速模式,流注以強(qiáng)發(fā)光樹枝狀流注的形式傳播,傳播速度極快,可達(dá)30 km/s;負(fù)極性亞音速模式,流注以多分叉樹枝狀流注的形式傳播,傳播速度呈周期性變化,平均傳播速度為98.4~367.8 m/s。對(duì)亞音速流注而言,隨著充電電壓的升高,流注發(fā)光變強(qiáng),流注傳播速度近似線性增長(zhǎng),正極性流注形態(tài)變得更加尖銳,轉(zhuǎn)化為超音流注的概率變高,而負(fù)極性流注的分叉數(shù)目增多;亞音速流注的傳播和形態(tài)呈現(xiàn)出“反�！睒O性效應(yīng),即正極性流注的傳播速度更低,流注根部更粗壯。水中流注傳播和形態(tài)的極性效應(yīng),被認(rèn)為與電子和離子遷移率的巨大差異造成的局部空間電荷聚集有關(guān)。其次,研究了微秒脈沖電壓下的水中電弧放電及其液電效應(yīng),觀測(cè)了水中電弧、氣泡的發(fā)展過程,提出了一種考慮電弧阻抗時(shí)變特性的電弧沉積能量與平均電阻計(jì)算方法,探討了電弧沉積能量、平均電阻與液電脈沖激波強(qiáng)度的關(guān)系,分析了預(yù)擊穿時(shí)延、初始電弧形態(tài)和流注發(fā)展模式對(duì)激波強(qiáng)度的影響。當(dāng)滿足準(zhǔn)靜態(tài)條件時(shí)(電弧電感的時(shí)間變化率遠(yuǎn)小于電弧電阻),若積分區(qū)間為任意兩個(gè)電流零點(diǎn),則電弧瞬時(shí)功率的積分值近似等于電弧的沉積能量。電弧的沉積能量與平均電阻在首個(gè)電流半振蕩周期達(dá)到最大,此后每個(gè)電流半振蕩周期的沉積能量逐漸減小,但電弧平均電阻呈振蕩變化。試驗(yàn)中,激波壓強(qiáng)峰值P_m與首個(gè)電流半振蕩周期沉積能量E_(R1)滿足擬合表達(dá)式P_m=0.36?E_(R1)~(0.4)。電弧平均電阻越大,越有利于能量的沉積,以及激波強(qiáng)度的提高;預(yù)擊穿時(shí)延越長(zhǎng),電容殘余能量越低,激波強(qiáng)度越弱;初始電弧長(zhǎng)度越長(zhǎng),電弧電阻越大,沉積能量越大,激波越強(qiáng)。流注發(fā)展模式通過決定預(yù)擊穿時(shí)延和電弧初始形態(tài),從而影響沉積能量的大小,最終影響激波的強(qiáng)度。最后,研究了微秒脈沖電壓下的水中擊穿特性及其極性效應(yīng),著重探討了間隙距離、脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)擊穿特性及其極性效應(yīng)的影響,提出了一種考慮間隙擊穿模式轉(zhuǎn)變影響的擊穿電壓預(yù)測(cè)模型,以及基于極性效應(yīng)變化點(diǎn)的極性效應(yīng)區(qū)域劃分理論。當(dāng)間隙距離、脈沖持續(xù)時(shí)間改變時(shí),正極性擊穿模式會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,并最終引起擊穿特性極性效應(yīng)的變化。擊穿電壓特性曲線存在兩個(gè)極性效應(yīng)變化點(diǎn),而預(yù)擊穿時(shí)延特性曲線僅有一個(gè)極性效應(yīng)變化點(diǎn)。根據(jù)極性效應(yīng)變化點(diǎn)的位置,可將極性效應(yīng)按種類劃分為四個(gè)區(qū)域:區(qū)域I,正極性的擊穿電壓更低,預(yù)擊穿時(shí)延更長(zhǎng);區(qū)域II,正極性的擊穿電壓更高,預(yù)擊穿時(shí)延更長(zhǎng);區(qū)域ⅠⅠⅠ,正極性的擊穿電壓更高,預(yù)擊穿時(shí)延更短;區(qū)域ⅠV,正極性的擊穿電壓更低,預(yù)擊穿時(shí)延更短。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O461.25
【圖文】：

）第一類流注(叢狀)[34]（c）第一類流注(樹圖 1-3 正極性水中流注的典型形態(tài)電極尖端處會(huì)形成“簇狀氣泡”，“簇狀氣泡”的平均傳播速度很低氣泡，故最初并未認(rèn)為“簇狀氣泡下的正極性水中擊穿過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，個(gè)間隙引發(fā)擊穿，期間“簇狀氣泡性毫秒脈沖電壓下異丙醇水溶液中后，會(huì)在“氣泡”邊緣形成復(fù)雜的狀氣泡”具有水中流注的一般特征傳播速度稱之為正極性亞音速流注

圖 1-7 液體中空間電荷的分布示意圖[58].2 水中流注的發(fā)展機(jī)理迄今為止，學(xué)界尚未形成一套系統(tǒng)而完善的水中流注發(fā)展理論。已有的水中理論多是借鑒于成熟的氣體流注發(fā)展理論，并將其在液體中進(jìn)行推廣。目前受的水中流注發(fā)展理論主要有氣泡理論、液體直接電離理論以及電致伸縮效每種理論僅適用于特定放電條件、特定發(fā)展階段的水中流注放電過程。）流注的起始機(jī)理從理論上講，水分子的平均自由程很短（3 ），電子在電場(chǎng)下難以獲得足夠水分子發(fā)生碰撞電離，引發(fā)雪崩式電離過程，故水介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該很高自由電子在皮秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)即可被水分子俘獲，這增加了自由電子維持的難穿難以發(fā)生[59]。為了引發(fā)雪崩式電離過程，需要提高水分子的平均自由程，形成低密度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，這些低密度區(qū)域可以是微氣泡、空穴、孔隙等[32]�，F(xiàn)流注起始理論均假設(shè)，水中流注起始前，在電極附近有低密度區(qū)域形成，不

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2730776