【摘 要】
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水中高压脉冲放电技术具有良好的可重复性、能量可控性和安全性。在脉冲放电过程中,等离子体通道的快速膨胀会产生强烈光和热辐射,促进气-液界面的快速膨胀,形成空化气泡并向外释放压力波(冲击波、二次压力波等)。工程实践中,气泡脉动和压力波载荷会产生强大的液电机械破坏效应,在水下声源、岩石破碎和高速成形领域有着广泛的应用。然而,水中脉冲放电在微观层面存在多种理论争议。从气泡运动到压力波传递规律,二者的关联系
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水中高压脉冲放电技术具有良好的可重复性、能量可控性和安全性。在脉冲放电过程中,等离子体通道的快速膨胀会产生强烈光和热辐射,促进气-液界面的快速膨胀,形成空化气泡并向外释放压力波(冲击波、二次压力波等)。工程实践中,气泡脉动和压力波载荷会产生强大的液电机械破坏效应,在水下声源、岩石破碎和高速成形领域有着广泛的应用。然而,水中脉冲放电在微观层面存在多种理论争议。从气泡运动到压力波传递规律,二者的关联系统性研究不够完整。鉴于此,本文借助高压脉冲放电实验平台与有限元分析软件LS-DYNA,对水中脉冲放电的气泡运动过程和冲击压力传递规律进行探究。论文主要工作如下:(1)设计并搭建水中高压脉冲放电实验平台,对针-板结构下放电过程中的电学特性以及气泡运动物理图像进行捕捉分析。实验结果表明,随着电压等级的提升,电流呈线性增加趋势;同一电压下,放电距离的增加使得峰值电流显著降低。其中存在最佳放电距离为4mm时,液相放电能量转化成机械能(气泡内能)的能量最高,相应气泡体积最大。并对气泡形态和不同电压下的半径、速度变化趋势等进行观察研究。(2)为明确水中脉冲放电气泡脉动规律和压力波传递特性。基于ALE计算方法,建立了水下爆轰流-固耦合模型。数值计算结合网格验证,与物理图像对比吻合良好,保证了数值模拟的有效性。在此基础上,探究气泡形态、半径、周期脉动时间和运动速度等参量随放电电压和静水压力的变化趋势。结果表明,电压升高提升了峰值电流和放电功率,为放电提供更高能量,气泡半径、脉动时间和速度等近似线性增加;而水压的增加则抑制上述变化过程,其中水压对气泡的初始膨胀速度影响不大。进一步分析脉冲放电压力波在水中的传播机理和衰减规律,得到冲击波峰值和二次压力波峰值随距离变化的经验公式和衰减系数。(3)气泡脉动过程始终伴随着压力波的产生与传递,压力变化受放电电压和静水压力的影响严重。对不同放电电压和静水压下的压力波传递特性进行了研究,结果表明:放电电压的升高加剧了脉冲放电过程,增强了冲击波能量,提高冲击波和二次压力波峰值;静水压力的增加则降低了冲击波传递过程中的衰减,冲击波压力有所提升;而二次压力波则随水压变化,表现出强化传递和抑制冲击两种形式。(4)为验证水中脉冲放电冲击波分析方法的准确性,设计了管材冲击实验。将数值结果与工艺试验中的管料最大径向变形进行比较,结果吻合良好。分析了冲击波在管腔内的传递过程,给出管壁上压力、等效应力、应变和变形率的分布趋势。通过数值模拟,对电液模具成形性进行了研究,发现与自由胀形效果相比,模具的加入使脉冲放电能量更加集中在成形区域,最大位移变形和成形精度得到提高,成形效果良好。本文通过实验与数值模拟相结合的手段,确立了数值分析方法。对针-板结构下的气泡形态、脉动规律和冲击压力特性进行了系统性分析,为高压脉冲放电在电液高速成形的加工应用中提供参考。
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