摘要：長脈沖下的水中預擊穿過程往往伴隨著局部液體的擾動，而關于液相擾動的影響作用卻鮮有研究。本文對超長脈沖條件下(脈寬>100ms)的水中預擊穿過程展開了研究，深入探討了氣泡、流注的發(fā)展模式及其差異，并闡釋了液相擾動對氣泡、流注發(fā)展的影響機制。研究表明，氣泡、流注在液相擾動中發(fā)展時具有更飽滿光滑的形態(tài)，更快的傳播速度。氣泡、流注巨大的電導率差異導致了兩者發(fā)展模式的不同：氣泡的發(fā)展屬于根部推動式，橫、縱發(fā)展速度相當;流注的發(fā)展屬于頂部牽引式，縱向發(fā)展速度遠大于橫向。進一步分析表明，擾動相中更高的液體溫度與流動有利于氣泡、流注的生長傳播和形態(tài)穩(wěn)定，同時擾動-靜止相交界處形成的湍流會引發(fā)流注的分叉現象。

　　關鍵詞：水中放電;預擊穿過程;液相擾動;氣泡、流注發(fā)展模式;分叉現象

　　0引言因水中放電具有豐富的物化效應，會產生活性粒子、沖擊波和UV紫外線等物質[1-2]，目前已被廣泛應用于納米材料制備、水下探測、水質處理以及能源開發(fā)等領域[3-6]。水中放電的預擊穿過程對放電效應影響顯著，對預擊穿過程中放電發(fā)展機理的研究是人們關注的重點。由于水介質的平均自由程很短(3Ǻ)且電子極易被俘獲(壽命ps級)，電子難以獲得足夠的動能引發(fā)雪崩電離，故水介質的理論擊穿場強很高(>1MV/mm)[7]。然而相關試驗表明，水介質的實際擊穿場強遠低于理論預測值(可低至1kV/mm)[8]。

　　為此，現有理論普遍認為在放電起始階段產生了低密度區(qū)域(如微氣泡、空腔、孔隙等)，提高了水分子的平均自由程，為雪崩電離的實現創(chuàng)造了條件[9-10]。不同脈沖持續(xù)時間尺度下，低密度區(qū)的形成機理有所不同：皮、納秒短脈沖下，瞬變電場的電致伸縮作用將使電極周圍的液體拉伸形變，直至液體撕裂形成微空腔[11-12];微、毫秒長脈沖下，焦耳加熱作用使得局部液體汽化產生微氣泡，該過程中還伴隨著明顯的液體介質擾動[13-16]。

　　此外，相關研究發(fā)現液相擾動不僅與低密度區(qū)的形成有關，還會影響放電后續(xù)的發(fā)展。例如文獻[17]的研究結果顯示：液相擾動會導致氣泡脫離電極或邊緣破裂，無法進一步轉變?yōu)榱髯?氣泡群落會隨液體擾動分散運動，無法在間隙形成―氣泡小橋‖引發(fā)擊穿。

　　綜上所述，擾動相中液體介質的物理參數(溫度、流動等)變化復雜，勢必會對氣泡、流注的發(fā)展產生影響，給長脈沖下的預擊穿過程分析帶來了困難。然而，液相擾動對預擊穿過程的影響目前缺乏深入研究，厘清其作用機制是十分必要的。本文搭建了水中放電試驗觀測平臺，借助高速陰影觀測等技術手段，研究了超長脈沖條件下液相擾動對水中預擊穿過程的影響，探究了氣泡和流注的發(fā)展模式及其差異，最后闡釋了液相擾動對氣泡、流注發(fā)展的影響機制。

　　1水中放電試驗觀測平臺

　　主要包括充電單元、放電單元以及測量單元。充電單元包括干式試驗變壓器與整流模塊，最大充電電壓c可達50kV。放電單元包括儲能電容(135μF)、限流電阻(0.53kΩ)、繼電開關和放電觀測水箱。通過充電單元對電容進行充電，達到設定電壓后，觸發(fā)開關閉合，此時主放電回路導通，電容對水間隙放電。實驗中采用不銹鋼針-板電極，針電極尖端半徑為0.5mm，平板電極半徑為15mm，間隙距離為10mm，水溶液電導率為60μS/cm。

　　測量單元包括信號測量模塊和圖像采集模塊，其中間隙電壓g、電流信號g分別通過高壓探頭(TektronixP6015A)和電流探頭(CybertekCP8050A)采集，并儲存于高分辨率示波器(LecroyHDO6054A)中。圖像采集模塊基于一套緊湊型陰影觀測系統(tǒng)，放電過程通過一臺配有200mm微距鏡頭的高速攝影機(NACACS-1M60)進行采集，曝光時間為1.1μs，鏡頭光圈設置為F5.6。

　　2超長脈沖下的預擊穿過程

　　總體上看，預擊穿過程主要包括液相擾動、氣泡爆發(fā)和流注擊穿三個階段。在液相擾動和氣泡爆發(fā)階段，間隙電壓、電流的變化緩慢且平穩(wěn)，分別呈現減小與增加的趨勢，表明間隙電阻亦呈緩慢減小的趨勢。當電壓、電流和電阻的迅速變化時，可見明顯的波形轉折點(4.92ms)，標志著放電進入流注擊穿階段。此外，實驗中還發(fā)現液相擾動對流注的形態(tài)與發(fā)展具有顯著的影響，間隙擊穿模式可以分為全擾動相擊穿和半擾動相擊穿兩種。

　　3氣泡、流注的發(fā)展差異

　　3.1氣泡、流注的發(fā)展模式正常狀態(tài)下水蒸氣的電導率極低(約3.2×10−6μS/cm[19])，而在電場作用下氣泡內蒸汽的平均電導率增加(可達21.3μS/cm[20])。氣泡爆發(fā)階段產生的大量氣泡對間隙電阻影響甚微，側面證實了氣泡導電率與液體電導率(60μS/cm)相近(同數量級)。另一方面，當氣泡轉變?yōu)榱髯�時，可觀測到電流迅增、電阻驟減以及氣泡電離發(fā)光，表明了氣泡內部發(fā)生了擊穿，此時可將流注視作良導體(后續(xù)計算表明電導率在1×106μS/cm級)。考慮到焦耳加熱是長脈沖下氣泡、流注發(fā)展的主要驅動力，氣泡與流注導電率的巨大差異(4個數量級)顯然會對兩者的發(fā)展特性帶來影響。

　　氣泡的發(fā)展屬于根部推動式：靠近電極的氣泡底部優(yōu)先生長，而后推動氣泡整體的發(fā)展;氣泡的橫、縱向發(fā)展速度相當(約2m/s)，具有近似橢球的外觀。流注的發(fā)展屬于頭部牽引式：流注尖端的優(yōu)先生長，并帶動流注整體的發(fā)展;流注的縱向發(fā)展速度遠大于橫向發(fā)(縱-橫速度比值在正極性下約為3倍，負極性下約10倍)，具有類錐體的外觀。

　　3.2氣泡、流注的發(fā)展分析為了闡釋氣泡、流注的發(fā)展模式，厘清二者的發(fā)展差異，本節(jié)將基于有限元仿真進一步分析。3.2.1擾動相液體參數實驗結果顯示，液相擾動對氣泡、流注的發(fā)展影響巨大，故需要擾動相中液體溫度的差異。

　　4液相擾動對氣泡、流注發(fā)展的影響實驗結果無疑表明，靜止相與擾動相在液體溫度、流動狀態(tài)上的差異，會對氣泡、流注的發(fā)展產生明顯的影響。

　　電力論文投稿刊物：高電壓技術期刊根據電力生產、建設、科研、教學需要提供導向性、實用性信息及技術措施，推廣實用技術的成果，為我國科技發(fā)展、領導決策、促進生產發(fā)揮接口、載體和橋梁作用。本刊報道內容包括高壓設備、輸電線路、系統(tǒng)暫態(tài)、測試工程、電磁、城網供電、電力電子等及生態(tài)環(huán)保生物醫(yī)療等邊緣、交叉學科。既有基礎理論研究也有工程實踐應用。

　　5結論

　　本文對超長脈沖下水中放電的預擊穿過程展開了研究，深入探討了液相擾動對氣泡-流注發(fā)展的影響，得到如下研究結論。

　　(1)氣泡、流注在液相擾動中發(fā)展時具有更飽滿光滑的形態(tài)，更快的傳播速度;隨著施加電壓的提高，間隙的擊穿模式由全擾動相擊穿轉變?yōu)榘霐_動相擊穿。(2)氣泡與流注巨大的電導率差異導致了兩者發(fā)展特性的差別：氣泡的發(fā)展屬于根部推動式，其橫、縱向發(fā)展速度相當，具有橢球狀外觀;流注的發(fā)展屬于頭部牽引式，其縱向發(fā)展速度遠大于橫向，具有類錐體外觀。(3)擾動相中更高的液體溫度與流動，有利于氣泡、流注的生長傳播和形態(tài)穩(wěn)定;在擾動-靜止相交界處會形成湍流，是引發(fā)流注分叉現象的重要原因。

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　　作者：李顯東，何樺，肖天飛，熊鼎，李劍