基于“活塞”模型的液电脉冲激波建模分析

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液中大电流脉冲放电激发激波具有安全、可控及可重复频率产生等优点,被广泛应用于固体破碎、液电成型及油气增产等领域。激波的峰值、脉宽等特性极大的影响激波的作用效果,实际应用时应首先对传播到作用点的激波特性进行评估。但是激波的形成过程涉及液体介质的击穿过程,等离子体通道膨胀压缩周围液体的过程以及激波在液体中传播、衰减和相互压缩的过程,影响因素众多,目前仍未形成有效的激波特性评估方法。本文以等离子体通道阻抗为桥梁,联立脉冲放电回路电气方程与等离子体通道内能量平衡方程,对液中等离子体通道的膨胀特性进行了解析计算。并搭建了等离子体通道电流截波试验平台,通过将试验结果与等离子体通道膨胀特性对比分析,得到了等离子体通道各膨胀阶段沉积能量对激波特性的影响规律,提出了基于改进的“活塞”模型的液电脉冲激波特性分析方法。针对描述等离子体通道电阻特性的Braginskii时变电阻经验模型Rpl(t)=βl~2/Win(t),考虑放电初始阶段的能量分配,提出近似使用等离子体通道沉积电能Epl(t)代替内能Win(t)的求解方法,建立了改进的时变电阻经验模型Rpl(t)=βl~2/Epl(t),简化了液中脉冲放电回路电特性求解。由于经验模型中放电系数β受液体性质、电极形式的影响,其值并不固定,提出了通过激波峰值解析求解结果与试验结果对比分析确定改进时变电阻经验模型中放电系数β值的方法。以轻度过滤的自来水介质(电导率:330~350μS/cm)、针-板电极形式的试验条件为例,得到了该试验条件下放电系数β值为1.3×10~5V~2sm-2。使用与试验条件相匹配的放电系数β值可提升回路电特性、激波峰值强度等计算结果的准确性。搭建了等离子体通道电流截波试验平台,发现了在较大电流振荡周期试验条件下,等离子体通道膨胀产生的激波波形可分为波前、过渡区及波尾三个部分。通过将等离子体通道电流截波试验结果与等离子体通道膨胀特性对比分析,将等离子体通道膨胀过程进一步分为四个阶段。发现激波波前峰值随等离子体通道加速膨胀阶段(阶段Ⅰ)沉积能量的增加而增加;激波过渡区结束时刻的强度随等离子体通道减速膨胀阶段Ⅱ与阶段Ⅲ中沉积能量的增加而增加,且激波过渡区结束时刻的强度可超越波前峰值强度成为新的激波峰值;在等离子体通道减速膨胀阶段Ⅳ中沉积的能量仅影响激波的波尾特性。形成了改进的一维“活塞”模型,可更加细致的对不同试验条件下产生的激波特性进行分析。使用一维“活塞”模型对水间隙直接击穿与金属丝爆产生的激波特性差异进行了分析。在水间隙直接击穿与金属丝爆形成的等离子体通道初始电压相同的情况下,由于金属丝爆形成的等离子体通道初始电流较大,在等离子体通道加速膨胀阶段沉积的能量较高,因此金属丝爆产生的激波波前峰值强度较高。同时发现了在本文的试验条件下,水间隙直接击穿沉积于等离子体通道的能量在时间上的分布较为分散,而金属丝爆沉积于等离子体通道的能量主要集中于通道形成后的0~20μs,而仅有在等离子体通道形成后的初始阶段沉积的能量(约为0~20μs)对激波机械能存在贡献,导致金属丝爆能量转换效率高于水间隙直接击穿。因此,合理的选择水间隙直接击穿放电回路阻抗,使放电回路接近临界阻尼状态,从而使沉积于等离子体通道的能量集中于通道形成后的初始阶段(第一个电流振荡半周期),可有效提升由沉积电能向激波机械能转换的效率。
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