【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,水具有高介電常數(shù)、高脈沖擊穿場強,適合作為脈沖功率系統(tǒng)元件的儲能介質(zhì),如水開關(guān)、水電容、水電阻等。為了促進水介質(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理與脈沖擊穿特性。以往的研究主要關(guān)注納秒級短脈沖電壓作用下的水中放電過程,而對微、毫秒級長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中微秒脈沖電壓下的水中放電過程及機理,開展試驗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)在機理,深入分析了充電電壓和電極設(shè)置對水中流注發(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)的形成與擴張、初始氣泡的形成與膨脹以及初始流注的產(chǎn)生,強電場作用下的局部強化焦耳加熱作用,是低密度陰影區(qū)和初始氣泡形成的重要原因。水中流注的傳播模式包括: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,流注以強發(fā)光樹枝狀流注的形式傳播,傳播速度極快,可達30 km/s;負極性亞音速模式,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。對亞音速流注而言,隨著充電電壓的升高,流注發(fā)光變強,流注傳播速度近似線性增長,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“反常”極性效應(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變特性的電弧沉積能量與平均電阻計算方法,探討了電弧沉積能量、平均電阻與液電脈沖激波強度的關(guān)系,分析了預(yù)擊穿時延、初始電弧形態(tài)和流注發(fā)展模式對激波強度的影響。當滿足準靜態(tài)條件時(電弧電感的時間變化率遠小于電弧電阻),若積分區(qū)間為任意兩個電流零點,則電弧瞬時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電流半振蕩周期達到最大,此后每個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。試驗中,激波壓強峰值P_m與首個電流半振蕩周期沉積能量E_(R1)滿足擬合表達式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,以及激波強度的提高;預(yù)擊穿時延越長,電容殘余能量越低,激波強度越弱;初始電弧長度越長,電弧電阻越大,沉積能量越大,激波越強。流注發(fā)展模式通過決定預(yù)擊穿時延和電弧初始形態(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)時間對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)測模型,以及基于極性效應(yīng)變化點的極性效應(yīng)區(qū)域劃分理論。當間隙距離、脈沖持續(xù)時間改變時,正極性擊穿模式會發(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極性效應(yīng)變化點,而預(yù)擊穿時延特性曲線僅有一個極性效應(yīng)變化點。根據(jù)極性效應(yīng)變化點的位置,可將極性效應(yīng)按種類劃分為四個區(qū)域:區(qū)域I,正極性的擊穿電壓更低,預(yù)擊穿時延更長;區(qū)域II,正極性的擊穿電壓更高,預(yù)擊穿時延更長;區(qū)域ⅠⅠⅠ,正極性的擊穿電壓更高,預(yù)擊穿時延更短;區(qū)域ⅠV,正極性的擊穿電壓更低,預(yù)擊穿時延更短。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：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，故最初并未認為“簇狀氣泡下的正極性水中擊穿過程時發(fā)現(xiàn)，個間隙引發(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。）流注的起始機理從理論上講，水分子的平均自由程很短（3 ），電子在電場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)的擊穿場強應(yīng)該很高自由電子在皮秒級的時間內(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]。現(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】

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本文編號：2730776