水中脉冲放电具有丰富的物理化学效应,在能源开采、环境治理、液电成形等领域已得到广泛地应用。为了提高工业应用的放电效率,需要深入了解水中脉冲放电的特性。考虑到预击穿过程对放电理化效应的影响很大,故厘清预击穿过程的发展机理是十分必要且关键的。以往的研究主要关注纳秒级短脉冲、微秒级长脉冲以及直流电压条件下的水中放电过程,而对过渡时间尺度即超长脉冲（百毫秒）下的水中放电过程研究较少。此外,由于超长脉冲时间尺度的特殊性,水中预击穿过程涉及到多种物理场之间的复杂相互作用,至今仍未对其进行深入研究和分析。因此,本文将围绕超长脉冲下的水中预击穿过程及其机理,开展实验与理论研究工作。首先,研究了超长脉冲电压下的水中预击穿发展过程,分析了正负极性流注发展特性的区别,对比了不同时间尺度下的水中预击穿发展模式的差异,阐释了超长脉冲下的预击穿发展阶段之间的相互作用。超长脉冲下的水中预击穿过程包括液相扰动、气泡发展和流注击穿三个阶段,并且正、负极性流注的击穿过程存在明显差异:负极性流注呈锥形结构且传播速度较快,流注根部较纤细,而正极性流注呈椭球形结构,流注根部较粗壮。不同于短脉冲下的流注发展主导和直流下的气泡运动主导模式,超长脉冲条件下的预击穿过程是以电极表面的气泡生长形变到脱离破裂的循环为基础,最终形成流注引发击穿,即属于气泡循环演化-流注猝发击穿的发展模式。超长脉冲下的预击穿阶段间存在紧密联系:液相扰动的发展有利于气泡的生成,但对气泡的稳定发展存在一定的阻碍作用,流注的起始并不依赖于气泡的产量或气泡链路的形成,而是取决于气泡内能否显著电离。其次,研究了液相扰动的时空演化特性,基于能量守恒方程解释了液相扰动的宏观发展规律,阐述了不同电压幅值和极性下液相扰动的发展差异,并分析了液相扰动对气泡和流注发展的影响作用。扰动相主要由电极头部扰动区和电极侧面扰动区两部分组成,随着能量的不断注入,液体流动状态逐渐由层流向湍流转变。由于本实验条件下的加热功率随时间的增加近似不变,因此扰动相的沉积能量近似线性增加,而扰动相的体积和平均温度在初始阶段迅速上升,最终维持恒定的体积增长率和液体温度。进一步的,根据能量守恒方程验证了扰动相的稳定发展阶段满足等温扩张的性质,并得到扰动相的温度与体积变化率的乘积为一常数。随着电压等级的提高,间隙的击穿模式由全扰动相击穿转变为半扰动相击穿,但在不同电压等级下扰动相的平均温度均在52℃附近。流注在扰动相和静止相中呈现不同的传播形态,且在扰动-静止相过渡区存在明显的减速现象。半扰动相的产生导致正极性流注的传播速度随电压逐渐减小,呈现反常电压极性效应,但对负极性流注的传播速度影响较小。进一步分析表明,扰动相中更高的液体温度,有利于气泡和流注的生长传播和形态稳定,但在扰动-静止相交界处形成的湍流会引发流注分叉现象和阻碍流注发展。最后,研究了气泡和流注的发展特性及其转变机制,着重探讨了气泡和流注的发展差异,并通过仿真模拟进一步验证了实验结果,揭示了气泡-流注的转变机制。气泡与流注发展特性的区别主要由两者内部巨大的电导率差异导致:气泡内的电导率较低,焦耳加热能量聚集在气泡根部,导致其横、纵向发展速度相当,形成椭球状外观;流注内部形成了高电导率通道,焦耳加热能量聚集在流注头部,导致其纵向发展速度远大于横向,形成类锥体外观。气泡-流注转变的关键在于气泡产生内部击穿,即气泡内部的击穿电压低于气泡两侧电压降。仿真结果表明,随着气泡的扩张,气泡的电压降和击穿电压分别上升和下降,直至气泡达到临界尺寸使其内部击穿。进一步的,气泡能否在电极表面持续稳定发展,则取决于使其生长膨胀的发展助力（焦耳加热、电解）与脱离破裂的发展阻力（液体拖拽力、介电泳力）间的动态平衡:当气泡的发展阻力更强时,气泡发生脱离破裂,并随电场以及液体对流作用分散在间隙中;当气泡的发展助力更强时,气泡将附着在电极表面持续发展并转变为流注。