液相扰动对水中预击穿过程的影响

　　摘要：长脉冲下的水中预击穿过程往往伴随着局部液体的扰动，而关于液相扰动的影响作用却鲜有研究。本文对超长脉冲条件下(脉宽>100ms)的水中预击穿过程展开了研究，深入探讨了气泡、流注的发展模式及其差异，并阐释了液相扰动对气泡、流注发展的影响机制。研究表明，气泡、流注在液相扰动中发展时具有更饱满光滑的形态，更快的传播速度。气泡、流注巨大的电导率差异导致了两者发展模式的不同：气泡的发展属于根部推动式，横、纵发展速度相当;流注的发展属于顶部牵引式，纵向发展速度远大于横向。进一步分析表明，扰动相中更高的液体温度与流动有利于气泡、流注的生长传播和形态稳定，同时扰动-静止相交界处形成的湍流会引发流注的分叉现象。

　　关键词：水中放电;预击穿过程;液相扰动;气泡、流注发展模式;分叉现象

　　0引言因水中放电具有丰富的物化效应，会产生活性粒子、冲击波和UV紫外线等物质[1-2]，目前已被广泛应用于纳米材料制备、水下探测、水质处理以及能源开发等领域[3-6]。水中放电的预击穿过程对放电效应影响显著，对预击穿过程中放电发展机理的研究是人们关注的重点。由于水介质的平均自由程很短(3Ǻ)且电子极易被俘获(寿命ps级)，电子难以获得足够的动能引发雪崩电离，故水介质的理论击穿场强很高(>1MV/mm)[7]。然而相关试验表明，水介质的实际击穿场强远低于理论预测值(可低至1kV/mm)[8]。

　　为此，现有理论普遍认为在放电起始阶段产生了低密度区域(如微气泡、空腔、孔隙等)，提高了水分子的平均自由程，为雪崩电离的实现创造了条件[9-10]。不同脉冲持续时间尺度下，低密度区的形成机理有所不同：皮、纳秒短脉冲下，瞬变电场的电致伸缩作用将使电极周围的液体拉伸形变，直至液体撕裂形成微空腔[11-12];微、毫秒长脉冲下，焦耳加热作用使得局部液体汽化产生微气泡，该过程中还伴随着明显的液体介质扰动[13-16]。

　　此外，相关研究发现液相扰动不仅与低密度区的形成有关，还会影响放电后续的发展。例如文献[17]的研究结果显示：液相扰动会导致气泡脱离电极或边缘破裂，无法进一步转变为流注;气泡群落会随液体扰动分散运动，无法在间隙形成―气泡小桥‖引发击穿。

　　综上所述，扰动相中液体介质的物理参数(温度、流动等)变化复杂，势必会对气泡、流注的发展产生影响，给长脉冲下的预击穿过程分析带来了困难。然而，液相扰动对预击穿过程的影响目前缺乏深入研究，厘清其作用机制是十分必要的。本文搭建了水中放电试验观测平台，借助高速阴影观测等技术手段，研究了超长脉冲条件下液相扰动对水中预击穿过程的影响，探究了气泡和流注的发展模式及其差异，最后阐释了液相扰动对气泡、流注发展的影响机制。

　　1水中放电试验观测平台

　　主要包括充电单元、放电单元以及测量单元。充电单元包括干式试验变压器与整流模块，最大充电电压c可达50kV。放电单元包括储能电容(135μF)、限流电阻(0.53kΩ)、继电开关和放电观测水箱。通过充电单元对电容进行充电，达到设定电压后，触发开关闭合，此时主放电回路导通，电容对水间隙放电。实验中采用不锈钢针-板电极，针电极尖端半径为0.5mm，平板电极半径为15mm，间隙距离为10mm，水溶液电导率为60μS/cm。

　　测量单元包括信号测量模块和图像采集模块，其中间隙电压g、电流信号g分别通过高压探头(TektronixP6015A)和电流探头(CybertekCP8050A)采集，并储存于高分辨率示波器(LecroyHDO6054A)中。图像采集模块基于一套紧凑型阴影观测系统，放电过程通过一台配有200mm微距镜头的高速摄影机(NACACS-1M60)进行采集，曝光时间为1.1μs，镜头光圈设置为F5.6。

　　2超长脉冲下的预击穿过程

　　总体上看，预击穿过程主要包括液相扰动、气泡爆发和流注击穿三个阶段。在液相扰动和气泡爆发阶段，间隙电压、电流的变化缓慢且平稳，分别呈现减小与增加的趋势，表明间隙电阻亦呈缓慢减小的趋势。当电压、电流和电阻的迅速变化时，可见明显的波形转折点(4.92ms)，标志着放电进入流注击穿阶段。此外，实验中还发现液相扰动对流注的形态与发展具有显著的影响，间隙击穿模式可以分为全扰动相击穿和半扰动相击穿两种。

　　3气泡、流注的发展差异

　　3.1气泡、流注的发展模式正常状态下水蒸气的电导率极低(约3.2×10−6μS/cm[19])，而在电场作用下气泡内蒸汽的平均电导率增加(可达21.3μS/cm[20])。气泡爆发阶段产生的大量气泡对间隙电阻影响甚微，侧面证实了气泡导电率与液体电导率(60μS/cm)相近(同数量级)。另一方面，当气泡转变为流注时，可观测到电流迅增、电阻骤减以及气泡电离发光，表明了气泡内部发生了击穿，此时可将流注视作良导体(后续计算表明电导率在1×106μS/cm级)。考虑到焦耳加热是长脉冲下气泡、流注发展的主要驱动力，气泡与流注导电率的巨大差异(4个数量级)显然会对两者的发展特性带来影响。

　　气泡的发展属于根部推动式：靠近电极的气泡底部优先生长，而后推动气泡整体的发展;气泡的横、纵向发展速度相当(约2m/s)，具有近似椭球的外观。流注的发展属于头部牵引式：流注尖端的优先生长，并带动流注整体的发展;流注的纵向发展速度远大于横向发(纵-横速度比值在正极性下约为3倍，负极性下约10倍)，具有类锥体的外观。

　　3.2气泡、流注的发展分析为了阐释气泡、流注的发展模式，厘清二者的发展差异，本节将基于有限元仿真进一步分析。3.2.1扰动相液体参数实验结果显示，液相扰动对气泡、流注的发展影响巨大，故需要扰动相中液体温度的差异。

　　4液相扰动对气泡、流注发展的影响实验结果无疑表明，静止相与扰动相在液体温度、流动状态上的差异，会对气泡、流注的发展产生明显的影响。

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　　5结论

　　本文对超长脉冲下水中放电的预击穿过程展开了研究，深入探讨了液相扰动对气泡-流注发展的影响，得到如下研究结论。

　　(1)气泡、流注在液相扰动中发展时具有更饱满光滑的形态，更快的传播速度;随着施加电压的提高，间隙的击穿模式由全扰动相击穿转变为半扰动相击穿。(2)气泡与流注巨大的电导率差异导致了两者发展特性的差别：气泡的发展属于根部推动式，其横、纵向发展速度相当，具有椭球状外观;流注的发展属于头部牵引式，其纵向发展速度远大于横向，具有类锥体外观。(3)扰动相中更高的液体温度与流动，有利于气泡、流注的生长传播和形态稳定;在扰动-静止相交界处会形成湍流，是引发流注分叉现象的重要原因。

　　参考文献

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　　[3]喻越，朱鑫磊，黄昆，等.应用于石油解堵增产的水中脉冲放电特性实验研究[J].高电压技术，2020，46(8):2951-2959.

　　作者：李显东，何桦，肖天飞，熊鼎，李剑