Modeling of pulsed spark discharge in water and its application to well cleaning

This paper presents a simulation model for the generation of strong pressure wave by means of pulsed spark discharge in water and its application to well cleaning. In the simulation model, one-dimensional time-dependent magnetohydrodynamic equations are coupled to a capacitive discharge circuit equation. A cylindrical conducting spark channel formed by electrical breakdown of water gap between a pair of electrodes is treated as a load of which resistance and inductance are allowed to change with time. For describing the spark channel properties accurately, precise calculations on thermodynamic properties and electrical conductivity are included in the simulation model. The simulation results show an excellent agreement with the experimentally measured shock pressure as well as the current and voltage waveforms. The simulation reveals that Joule heating of the spark channel during the very early phase of electrical discharge plays a key role in the formation of shock wave in water. The voltage on a capacitor at breakdown, the circuit inductance, and the resistance of the spark channel are found to be the most important parameters for the shock wave formation. With this technique, a pilot test for the cleaning of a clogged well has been performed in a water well which was constructed as a test-bed for riverbank filtration near the Anseong-cheon (river) in Korea. Well treatments have been carried out with an electrical energy of 510 J stored on a pulsed power system, at which the maximum shock pressure is measured to be around 7 MPa at the position of the well screen, i.e. 0.1 m away from the spark gap. A slug test shows 2.9 times improvement in the hydraulic conductivity of the well, which, combined with a visual inspection inside the well using an underwater camera, clearly demonstrates that the strong pressure wave generated by underwater spark discharge can effectively remove almost all incrustations formed in the well screen and thus improve well performance. Operating parameters for controlling the strength of shock pressure are discussed using the simulation model for extensive applications of the present technique to various types of water wells.     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

How to increase the efficiency of the electrical discharge method for destruction of nonconductive solid materials

The paper deals with the relevance of using electrical discharge technology for construction works in the city. The technical capabilities of the installation for the multi-borehole electro-discharge splitting off and destruction of rocks and concrete are described. The ways to increase the efficiency of the electrical discharge method for the destruction of solids are proposed. In order to augment the discharge circuit energy, the energy storage is separated into two individual capacitor batteries. The throttle with the inductance of 28.6 μH is installed in one of the batteries, which increases the duration of the channel energy release to 400 μs and the efficiency of electrical discharge splitting off of concrete.     

平台式和斜坡式表面放电辐射源放电特性的比较

 介绍了平台式和斜坡式两种结构的表面放电辐射源，研究了在1.0 μF和1.5 μF储能电容、15~30 kV充电电压等实验条件下两种辐射源的放电特性，并对实验结果进行了比较分析。得到如下结论：对于斜坡式辐射源，增加电极间距可导致放电回路面积增大，因此等效电阻和等效电感也将增加；在相同电压及电容值条件下，斜坡式辐射源的放电电流、平均沉积功率均小于平台式辐射源的相应值，但放电沉积效率略大；电压升高使放电周期、电流达到峰值时间及放电沉积效率呈减小趋势，对于同一种辐射源，使用1.5 μF电容时放电回路参数更加匹配，放电沉积效率得到提高。     

感性神经元模型及其动力学特性研究

神经元的大小属于介观尺度范围,本文考虑神经元的电感特性,建立了由细胞膜电感、膜电容、钾离子忆阻器和氯离子电阻构成的神经元经典电路模型和介观电路模型.利用经典电路理论和介观电路的量子理论,推导了在外部冲击激励下神经元细胞膜电压响应的表达式.将枪乌贼神经元的电生理参数代入膜电压表达式并计算可知,两种模型下的膜电压均先增大后减小,最后达到零值的静息状态,且其能量主要集中在0—30 Hz的脑电频率范围内.进一步比较发现,介观电路模型下膜电压的峰值及达到峰值所需的时间(达峰时间)均低于经典电路模型下的值,并与枪乌贼轴突受到刺激后的实验结果更接近,说明介观电路模型更能反应神经元受到刺激后的生理特征.基于介观电路模型,随着外部激励强度的增加,膜电压的峰值增加且达峰时间变短.膜电压峰值及达峰时间等参数更易受神经元膜电容的影响.神经元的介观电路模型对于理解神经元受到刺激后的兴奋性,推动受大脑功能启发的量子神经网络的发展等具有重要意义.     

电爆金属丝产生纳米粉体

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气形成纳米粉体的物理过程,利用马赫-曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的"热滞后"现象及金属蒸气的多次喷发现象。并利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体。     

感性神经元模型及其动力学特性研究

神经元的大小属于介观尺度范围,本文考虑神经元的电感特性,建立了由细胞膜电感、膜电容、钾离子忆阻器和氯离子电阻构成的神经元经典电路模型和介观电路模型.利用经典电路理论和介观电路的量子理论,推导了在外部冲击激励下神经元细胞膜电压响应的表达式.将枪乌贼神经元的电生理参数代入膜电压表达式并计算可知,两种模型下的膜电压均先增大后减小,最后达到零值的静息状态,且其能量主要集中在0—30 Hz的脑电频率范围内.进一步比较发现,介观电路模型下膜电压的峰值及达到峰值所需的时间(达峰时间)均低于经典电路模型下的值,并与枪乌贼轴突受到刺激后的实验结果更接近,说明介观电路模型更能反应神经元受到刺激后的生理特征.基于介观电路模型,随着外部激励强度的增加,膜电压的峰值增加且达峰时间变短.膜电压峰值及达峰时间等参数更易受神经元膜电容的影响.神经元的介观电路模型对于理解神经元受到刺激后的兴奋性,推动受大脑功能启发的量子神经网络的发展等具有重要意义.     

L-C耦合电路对散粒噪声探测器电子学噪声的影响

通过分析基于L-C耦合跨阻运放电路的散粒噪声探测器噪声来源,提出了电感的寄生电容对电子学噪声影响的分析模型,并进行了实验验证.研究表明,电感的寄生电容会增大跨阻运放的输入电压噪声增益,从而增加探测器的电子学噪声.当总电感值为1mH时,选用两个0.5mH的电感串联结构相比选用单个1mH的电感,探测器电子学噪声明显降低.由于电感的自共振频率越低,寄生电容越大,选用高自共振频率的电感有助于进一步降低电子学噪声.实验测量得到,在2.5 MHz分析频率处,选用两个0.5mH、自共振频率为6 MHz的电感串联相比选用单个1mH、自共振频率为1.6 MHz的电感,电子学噪声的降低了3dB.在相同入射激光条件下,该改进模型可以有效提高探测器的信噪比.     

脉冲快放电激励S2激光器电源的研究

 选择Blumlein电路作为放电电源的主电路，建立了Blumlein电路的离散化等效模型，利用该模型对电路进行仿真研究与优化设计，选取一组电路元件参数作为装调放电电路的依据，设计并制作了传输线电容与储能电容器，大大减小了电路寄生参数，提高了电路性能。实验结果表明，该放电电源的输出电压上升沿达到5.08 ns的设计指标，且工作稳定，对激光器的正常工作起了重要的作用。     

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明:采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

铜丝水中电爆炸能量沉积特性

对s脉冲电压作用下铜丝水中电爆炸的能量沉积过程进行了实验研究,利用自积分Rogowski线圈和电阻分压器分别测量铜丝电爆炸时的电流和电压。利用测量电压波形确定了熔融起始、熔融结束、汽化起始和击穿时刻点,将铜丝电爆炸划分成熔融、液态和汽化3个阶段。通过数学方法计算了3个阶段和击穿前的沉积总能量。通过实验和计算,分析了电路参数,包括放电电压和回路电感,以及铜丝特性,包括铜丝长度和直径,对铜丝电爆炸过程中3个阶段和击穿前沉积总能量的影响。结果表明:在s脉冲电压作用下,放电电压、回路电感、铜丝长度和直径对熔融阶段能量沉积影响较小,但对液态和汽化阶段能量沉积影响较大,通过调节电路参数提高电流上升速率,可以显著提高汽化和击穿前的沉积能量。     

Effect of pressure on the performance of plasma synthetic jet actuator

The effects of the ambient air pressure level on the performance of plasma synthetic jet actuator have been investigated through electrical and optical diagnostics.Pressures from 1 atm down to 0.1 atm were tested with a 10 Hz excitation.The discharge measurement demonstrates that there is a voltage range to make the actuator work reliably.Higher pressure level needs a higher breakdown voltage,and a higher discharge current and energy deposition are produced.But when the actuator works with the maximum breakdown voltage,the fraction of the initial capacitor energy delivered to the arc is almost invariable.This preliminary study also confirms the effectiveness of the plasma synthetic jet at low pressure.Indeed,the maximum velocities of the precursor shock and the plasma jet induced by the actuator with maximum breakdown voltage are independent of the ambient pressure level;reach about 530 and 460 m/s respectively.The mass flux of the plasma jet increases with ambient pressure increasing,but the strength of the precursor shock presents a local maximum at 0.6 atm.     

脉冲功率系统中能量回收电路的改进

串联型能量回收电路从电路结构上保证了异常条件下脉冲功率系统中充电电源的安全,但恒流充电电源经回收电感向储能电容充电时会引起回收电路的振荡,不仅会造成充电电源输出过压和回收电感损耗增加,还会导致充电电压一致性明显变差等问题。在分析了回收电路振荡特性的基础上,提出了在回收电感两端并接旁路开关和双路充电输入的电路结构以及相应的充电控制方法,不仅可以抑制回路振荡从而提高充电一致性,还可以消除回收电感和旁路开关的不必要损耗且控制方法也简单通用。对包含有串接型回收电路的600 V/400 A充电系统进行了电路仿真和实验验证,实验结果表明:在600 V重频条件下,回收电路的改进方案可将储能电容电压的充电一致性偏差由10 V降低到2.6 V,对应的相对偏差由1.7%降低到0.5%以内。     

Transfer function modeling and analysis of the open-loop Buck converter using the fractional calculus

Based on the fact that the real inductor and the real capacitor are fractional order in nature and the fractional calculus,the transfer function modeling and analysis of the open-loop Buck converter in a continuous conduction mode(CCM) operation are carried out in this paper.The fractional order small signal model and the corresponding equivalent circuit of the open-loop Buck converter in a CCM operation are presented.The transfer functions from the input voltage to the output voltage,from the input voltage to the inductor current,from the duty cycle to the output voltage,from the duty cycle to the inductor current,and the output impedance of the open-loop Buck converter in CCM operation are derived,and their bode diagrams and step responses are calculated,respectively.It is found that all the derived fractional order transfer functions of the system are influenced by the fractional orders of the inductor and the capacitor.Finally,the realization of the fractional order inductor and the fractional order capacitor is designed,and the corresponding PSIM circuit simulation results of the open-loop Buck converter in CCM operation are given to confirm the correctness of the derivations and the theoretical analysis.     

一个新的改善电容器放电平顶的电路

本文提出了一个旨在改善电容器放电平顶的简单电路。从基本电路的分析出发,推出了补偿后的输出电压、平顶峰值电压、峰值电压出现时间以及平顶时间同电压补偿系数k和放电时间常数比λ间关系式和曲线族。结果表明,如参数选择得当,在过补偿工作状态下,可以获得满意的平顶和较长的平顶持续时间。     

长周期扫描电路的设计与应用

本文鉴于常用的基于电容充放电的运算放大器积分式长周期扫描电路输出电压线性差,设计了基于计数器和D／A转换的数字式线性功率扫描电路。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。     

百瓦级铜蒸汽激光器最大功率的全局优化设计

将全局优化的遗传算法应用于百瓦级铜蒸汽激光器（CVL）,以最大输出激光功率为目标函数,整体优化设计和确定了铜蒸汽激光器同轴结构的激光和放电电源的电路参数等。提高激光功率的一条途径是：在采用相对较小的储能电容的同时,提高输入功率（主要是峰值电压）和管壁温度,且使激光头与供电电源相匹配。