加速器电水锤数值模拟与实验研究

强流加速器水介质形成线放电或击穿形成的冲击波对陶瓷真空界面具有破坏作用。为获得该冲击载荷的信息,应用通用软件ANSYS/LS-DYNA建立了一种水下爆炸有限元模型,将电弧放电等效为爆炸源,模拟得到了冲击波传播时序、压力历史曲线及陶瓷板的加速度响应;为验证模型的有效性,应用"针-板"电极水开关在输出电脉冲40～50 ns、幅值100～300 kV可调的10级陡化前沿Marx发生器上开展了电水锤缩比实验研究。实测了不同击穿电压下冲击波峰压、波速和主脉冲宽度,并依据经验公式计算了放电沉积能量和冲击波能量,平均约17%的间隙放电能量转换为冲击波机械能。对冲击波能量与峰压关系进行了拟合,并与数值模拟结果进行了比较,二者变化趋势基本一致,量级上吻合较好。     

双路大电流源模块水中放电实验研究

高压电脉冲压裂技术是基于液电效应,通过水中脉冲放电产生强大的冲击波使岩石产生裂缝,近年来成为了岩石压裂领域的热点研究对象。搭建了两路电流源模块应用于水中放电,采用铜材料的针针电极,电极间距1 mm;研究了在不同放电电压下,单路和两路电流源模块电极间的电压、电流波形。实验结果表明,空载时在同一放电电压下,双路模块产生更大的放电电流,从而在放电时获得更高的瞬时功率;而在水中针针放电时,单路和双路模块水间隙的预击穿时间与放电电压之间具有很大的随机性。单路模块预击穿时间的标准差最小为0.285 ms,最大为1.481 ms;而双路模块最小为0.369 ms,最大为0.703 ms。并且随着放电电压的增加,预击穿时间减小,双路模块的预击穿平均时间从放电电压为1300 V时的2.686 ms降到1800 V时的1.036 ms。     

光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

液电冲击波在液固介质中的传播观测*

冲击波是一种高速瞬态的强烈非线性波动现象,在流体力学和材料力学、国防军工等领域有重要的学术意义和应用价值。冲击波在液体和固体介质中的清晰观测比较困难,但这种研究又不可或缺。该文采用高压电火花放电技术在水中产生厘米级的球形空泡,空泡膨胀后接着收缩崩塌,在极短时间和极小空间内释放出的能量在水中产生冲击波。结合纹影法和动态光弹法,使用高速摄像机和脉冲激光器组成的纹影-动态光弹法冲击波观测系统,可实现冲击波在液固介质中传播过程的高分辨率观测,为进一步研究冲击波的相关理论和应用技术提供了一种实验手段。     

水下等离子体声源的冲击波负压特性

基于修正的Rayleigh气泡脉动方程对水下等离子体声源放电产生的 强声冲击波的传播过程进行了分析; 利用Euler方程作为控制方程组, 建立了水下等离子体声源的聚束声场模型, 通过仿真计算获得的传播云图对冲击波负压的形成机理进行了直观的理论分析. 结果表明: 经过聚能反射罩反射汇聚得到的聚束波在反射稀疏波和水的惯性作用下, 聚束波周围水域产生了拉伸, 形成负压区, 如果拉伸力大于水的抗拉上限, 就会使得水中形成不连续现象, 即出现空化气泡; 此外聚能罩边缘处产生的衍射波进一步加剧了负压的产生, 边缘衍射波最终与拉伸波叠加, 使冲击波负压达到最大值; 通过对比仿真波形和实验波形, 从而验证和进一步揭示了冲击波负压的形成原因. 研究结果对认识水下冲击波的传播规律和进一步改进等离子体声源的设计具有指导意义. 关键词： 等离子体声源 冲击波负压 聚束声场模型 气泡     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

金属微粒影响三电极气体火花开关击穿过程的仿真研究

气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用,但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点,气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀,烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性.本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气体火花开关放电过程进行建模,对触发极边缘高场强区域的电离系数进行修正,使用场致电子发射电流模拟初始电子产生的过程,深入探究开关导通的物理机理,详细叙述开关击穿过程各阶段的放电形态.接着研究了金属微粒对于击穿过程的影响,研究表明金属微粒的存在增强了触发极附近的电场,加速了初始电子云的产生,同时金属微粒与触发极之间会率先击穿,并成为后续流注发展的源头.除此之外,金属微粒对于流注的传播具有阻碍作用,使放电通道产生分支.最后本文讨论了不同形状以及尺寸的金属微粒对于放电过程的影响,这些都为进一步研究三电极气体火花开关放电过程以及金属微粒诱发开关击穿的物理机理提供了理论支撑.     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

开放空间重复频率微波脉冲击穿概率理论与实验研究

综合考虑有效初始电子产生理论、雪崩电子击穿理论等过程中的击穿延迟时间,探讨了开放空间微波脉冲的击穿延时概率分布,提出了重复频率微波脉冲击穿概率模型,定义了基于概率模型的微波脉冲击穿阈值。利用S波段微波准光学反射聚焦系统对一定气压大气击穿过程进行了模拟,监测击穿放电发光时刻作为击穿时间,分别在铯137放射源存在与否情况下开展了系列实验。研究结果表明,提高种子电子产生率相较于提高电离率是增大脉冲击穿概率更有效的方法;重复频率过程中,若存在累积效应,击穿延时概率分布曲线将左移并趋于稳定,击穿后的气体在短时间内容易再次击穿。     

纳秒脉冲气体放电机理探讨

 经典Townsend机理和流注理论是气体放电研究的基础,但在解释纳秒脉冲气体放电时均存在一定缺陷。基于经典气体放电理论,探讨纳秒脉冲气体放电机理,分析流注理论判据在纳秒脉冲气体放电中的有效性,解释纳秒脉冲下电子逃逸现象和基于电子逃逸的快速电离波击穿理论,仿真计算高能快电子的逃逸过程。结果认为基于高能量快电子的逃逸击穿将是可能解释纳秒脉冲下气体放电现象的依据。     

电弧放电等离子体诱导激波的计算

基于电弧放电物理过程,分析气动激励机理,建立用于电弧放电等离子体诱导激波数值模拟的爆炸丝传热模型.主要结论有:电弧放电等离子体气动激励的主要机理是热等离子体的热阻塞效应,热电弧放电对于超声速来流而言就像-个具有-定斜坡角度的虚拟突起;理论分析只适用于纵坐标较小的阶段;当传热的功率设为放电功率的10%时,本文所建立的模型能够用于电弧放电等离子体诱导激波的仿真研究;等离子体虚拟斜坡角度及其诱导激波角都随来流总压和速度的增大而减小,随着放电功率的增大而增大,在总压、速度和放电功率较小的阶段这种变化较明显,在总压、速度和放电功率较大的阶段这种变化较缓慢.     

The characteristics of surface arc plasma and its control effect on supersonic flow

The characteristic of surface arc plasma included millisecond and microsecond actuation in supersonic flow is investigated both experimentally and numerically. In the experiment, the discharge characteristic of surface arc plasma in quiescent air and supersonic flow is recorded. The stable oblique shock could be observed with millisecond actuation. And the unstable compressive wave could be also observed with microsecond actuation. In the numerical investigation, plasma actuation is defined as a source term with input power density from discharge V–I characteristic, which is expected to better describe the influence of heating process. The numerical results are coincident with experimental results. In order to confirm the capability of surface arc plasma actuation to control supersonic flow, experimental investigations on control shock induced by ramp and separation of boundary layer induced by impinging shock are performed. All the results demonstrate the control effect of surface arc plasma actuation onto supersonic flow.     

非链式HF激光器SF6气体介质放电特性

采用放电图像拍摄和放电波形测量两种方法研究了放电激励HF激光工作介质SF6气体的放电特性。实验结果表明:SF6气体放电可以分为主放电、剩余电压维持和电弧放电3个阶段。主放电阶段为均匀体放电,电容储能大部分在此阶段沉积于放电等离子体中;剩余电压维持阶段无明显放电;在电弧放电阶段激光器以电弧形式消耗剩余储能。通过对放电波形的分析,获得剩余电压及主放电阶段能量沉积效率随充电电压的变化规律。随着充电电压提高,剩余电压下降,沉积效率逐渐提高。沉积效率最大值对应于主放电与电弧放电相接的时刻。     

不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号,对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定,高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上,设置光谱仪延时,分别采集了引弧5,10,15,20及25 ms的光谱信号;改变水深条件,得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析,选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理,以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线,再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明：在相同水深条件下,引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的,但其变化趋势并不是简单的线性增加,而是分别在引弧的不同时刻出现峰值;随着水深的增加,水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升,但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢,40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加,水下环境压力增大造成电弧进一步压缩,但压缩量有限。由于电弧被压缩,弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法,从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质,对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。     

等离子体气动激励控制激波的机理研究

针对等离子体气动激励控制激波的热效应机理和电离效应机理的争议,分别采用热阻塞模型和离子声波模型,理论推导出了不同机理前提下电弧等离子体对尖劈斜激波的影响规律.对于热效应机理,激波变化规律是激波起始点前移、形状不弯曲以及角度减小;对于电离效应机理,激波变化规律是激波起始点仍维持在尖劈前缘点处、形状分为两段发生弯曲以及起始段的角度增大.针对该对立的理论推导结果,进行了电弧等离子体控制尖劈斜激波的超声速风洞实验研究,实验观察到尖劈斜激波起始点前移4 mm,激波角度减小8.6%,激波形状未发生弯曲.以热效应机理为前提推导出的理论结果与该实验结果相符,从而验证了等离子体气动激励控制激波是热效应机理在起主要作用. 关键词： 等离子体气动激励 激波 热效应 电离效应     

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在超音速风洞中进行了等离子体气动激励改变激波系结构的实验,考察了介质阻挡放电和横向直流放电对于激波系结构的影响。实验结果表明介质阻挡放电所产生的等离子体能够影响流场附面层。采用逆气流DBD放电后,激波强度略有增大;采用顺气流放电后,激波强度略有减弱。相对于介质阻挡放电,横向直流放电对减弱激波强度影响稍大。     

Effects of an absorptive coating on the dynamics of underwater laser-induced shock process

The effects of an absorptive coating on the dynamics of underwater laser-induced shock process have been observed from the end of laser pulse to hundreds of microseconds after irradiation by time-resolved imaging techniques. A laser pulse of 13 ns at 1,064 nm was focused by a 40-mm focal length lens onto the surface of epoxy-resin blocks immersed in water to induce the shock process in the confining regime. A custom-designed time-resolved photoelasticity imaging technique and a high-speed laser stroboscopic videography technique in photoelasticity mode were used to analyze the evolution of shock waves in the water phase, the strength of stress waves in the solid phase, the oscillation of cavitation bubbles, and the generation of bubble-collapse-induced shock waves. We showed that black paint coating enhances the strength of laser-induced stress wave inside the solid, drives faster shock waves traveling in the water phase, and produces higher-energy cavitation bubbles. We propose that even at power densities of 1 GW/cm² and above, an absorptive coating can intensify the shock process by enhancing the absorption of laser energy by plasma.     

Research on the influence of conductivity to pulsed arc electrohydraulic discharge in water

Pulsed arc electrohydraulic discharge (PAED) is a kind of thermal plasma arc discharge phenomenon which can generate strong pressure wave, ultraviolet ray and active groups. Therefore, PAED can act as a significant role applying on the technology of water treatment and it has broad application prospects. Compared with the existing water treatment mechanism, the technology of PAED possesses the most sterilization efficient and no secondary pollution. There are a huge number of plasma, active groups and gas liquid mixtures generated between the two arc electrodes in the water medium when the streamer discharge voltage is 3∼5 kV. In addition, water conductivity is also changed with the development of pulse arc electrohydraulic discharge which should be the prime importance in the process of PAED. In this article, firstly we analyzed the discharge mechanism on the process of pulsed arc electrohydraulic discharge. After that how the conductivity had played a major role in the process of pre-breakdown discharge and the main discharge processes will be discussed in detail. Experiments were conducted to research the relation among the conductivity, the pressure wave, active groups, ultraviolet light, discharge current and voltage generated from PAED. In finally the result can become a basis for using the water treatment tech of pulsed arc electrohydraulic discharge on different conductivity.     

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。