水环境下铜丝电爆炸特性及其冲击波行为

针对油气田储层改造中金属丝电爆炸这一新的物理增产技术,为了研究电爆炸冲击波与放电参数之间的关系,搭建了电爆炸试验平台,以铜丝为负载开展了不同放电参数下爆炸特性试验。通过对放电过程中电压、电流、电阻及其沉积能量的分析,研究了电容容量和储能大小对金属丝相变时间、沉积能量及冲击波的影响规律。结果表明,在铜丝从固态到液态相变过程中,电容容量和储能大小对其影响不大,沉积能量为其理论热焓值3倍左右;在铜丝汽化过程中,随着电容储能的增加,60μF容量电容放电时的能量沉积速率要低于30μF容量电容放电,但60μF容量电容在储能较低时仍有较好的放电稳定性。在丝放电过程中,冲击波的峰值压力与铜丝汽化过程中的沉积能量有着紧密的关系,随着沉积能量的增加,它们具有相同的变化趋势。     

不同脉冲电流下水中铜丝电爆炸特性的实验研究

开展了微秒尺度不同脉冲电流下水中金属铜丝电爆炸光辐射与冲击波特性研究。在相同的储能与放电模式下,使用不同上升速率的脉冲电流驱动相同规格的金属丝产生电爆炸,并测量放电过程中的负载电压、回路电流、光辐射强度、时间积分光谱与冲击波压力波形,据此计算了负载沉积能量并重建了冲击波波形。实验结果表明,电流上升速率对电爆炸过程存在显著影响,在500J系统储能、平均上升速率为66.1A/ns与7.7A/ns的脉冲电流作用下负载在电压峰值时刻的沉积能量分别为18.6eV/atom与10.3eV/atom,冲击波峰值压力分别为7.6MPa与7.0MPa。此外,光强–时间曲线表明光辐射峰值出现在放电中后期并持续几十微秒。总体而言,更快电流上升速率下的水中铜丝电爆炸将导致更多能量在电压峰值前沉积,伴随更强的光辐射,并产生具有更高压力峰值且衰减更快的冲击波。本研究对水中金属丝电爆炸伴随效应的研究及其工业应用具有一定参考意义。     

空气中不同金属丝电爆炸的光辐射特性

金属丝电爆炸过程伴随明显光辐射现象,该现象蕴含大量信息,为此研究了空气中铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、铜(Cu)、钼(Mo)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)8种材质的金属丝以及石墨芯C在亚微秒与微秒尺度脉冲电流作用下电爆炸的光辐射特性。搭建了金属丝电爆炸实验平台与诊断系统。在系统储能500 J的情况下,将上升沿约为45 A/ns与5 A/ns的脉冲电流分别施加在长1 cm、直径200μm的金属丝/石墨芯负载上,并测量负载电压、回路电流、光强与时间积分光谱。实验结果表明,光电管可响应的光辐射起始于负载阻性电压下降时刻,并随着放电过程结束逐渐达到最大值,发光过程持续时间300μs。从幅值来看,Ti丝电爆炸具有最强的光辐射,在5 A/ns脉冲电流作用时幅值为Cu丝的3倍。非难熔金属Al、Cu、Ag具有相似的光辐射特性,包括相似的光强–时间曲线以及具有明显线状谱的时间积分光谱;难熔金属Mo、Ta、W具有相似的光强–时间曲线且积分光谱以连续谱为主;石墨芯与难熔金属具有相似的光强–时间曲线,积分光谱却存在明显的线状谱。此外,金属丝电爆炸光辐射能量在250~380nm的波段具有较强的分量,比例最高为Cu丝,可达42.9%。不同材质金属丝电爆炸的光辐射具有很大差异,可以推测其等离子体通道温度、密度、电离度等参数存在较大差异。     

介质对铜丝电爆炸沉积能量的影响

铜丝在电爆炸过程中要经历固态、液态、气态和等离子体4种状态,而铜丝在电爆炸过程中吸收的能量全部来自于电流的焦耳热效应,爆炸时周围介质对爆炸过程有着显著的影响.为此对μs脉冲电压下空气和水介质中铜丝电爆炸进行了实验研究,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.利用数学方法分别计算了铜丝...     

水中电爆炸放电通道特性0维数值模拟

为研究水中金属丝电爆炸现象的物理过程,建立了一种简单、易于工程应用的描述水中金属丝电爆炸放电通道等离子体特性的数值模拟方法。该方法基于理想流体力学方程组,采用非连续传播理论描述放电通道与水的作用过程,金属等离子体电导率采用美国Sandia国家实验室数据,状态方程采用理想气体状态方程,依据Tucker电阻率-比作用量模型与Sariksov 0维热力学模型估算等离子体通道初始状态。以已有实验数据作为输入条件进行了计算,结果表明:所提出模型的计算结果与文献实验结果、磁流体力学模型计算结果一致性较好;计算得到电爆炸过程形成的等离子体放电通道压强、温度、膨胀速度分别可达6 GPa、3 eV、1 100 m/s。     

气隙长度对气体放电式丝电爆过程的影响

气体放电式丝电爆过程中,不同气隙长度会影响金属丝上的能量沉积及爆炸产物。为研究产生该影响的机理,试验测量了丝电爆过程中的电压和电流,并建立了相应的模型进行验证,最后采集不同气隙下的爆炸产物并对其平均粒径进行了统计分析。结果表明:在确保气体放电式丝电爆能够发生的条件下,气隙δ增大,金属丝上电压与电流几乎不发生变化,只是波形峰值略微滞后一些;而随着δ增大,金属丝上能量沉积会以1.67 J/mm速率下降;相同初始充电电压下,不同气隙爆炸产物中纳米颗粒的尺寸均近似于正态分布,且其平均粒径变化不大。     

金属丝段电爆过程中的沉积比能量仿真分析与实验研究

金属丝在高压电场中通过丝端部与电极之间的气体放电导入电流,完成电热爆,沉积在丝段上的比能量对电爆制粉和喷涂有着重要影响。为系统认识金属丝段电爆过程中初始充电电压、丝长和直径与沉积比能量之间的关系,通过建立含气隙的丝段爆炸过程的电路模型,进行一系列电热爆数值模拟,得到了适合实际电热爆过程的最佳气隙长度。在电极间距不变的条...     

水中裸铜丝与镀膜铜丝电爆炸积分光谱与冲击波特性实验研究

针对裸铜丝与镀膜铜丝在水介质中电爆炸的过程进行实验研究,并与其在空气中电爆炸的行为进行对比分析。搭建包括微秒量级脉冲电流源、放电负载与腔体在内的实验平台。将脉冲电流作用于金属丝引起电爆炸,测量负载电压、回路电流、冲击波压强以及全过程的积分光谱。实验结果表明,镀膜能够使金属丝沿面/内部击穿时刻产生0.2μs左右的时延,并略微提高金属丝沉积能量;此外,镀膜能够有效降低光辐射强度,但对电爆炸产生的冲击波影响并不明显。该研究对于水中金属丝电爆炸相关机制研究及其工业应用具有一定参考意义。     

氩气中长丝电爆炸沉积能量特性与演化过程分析

为研究氩气中长丝电爆炸沉积能量特性与空间形态演化过程，设计并搭建了铝丝电爆炸实验系统与光-电联合诊断平台。结果表明，丝长增加使电爆炸过程由直接击穿模式转变为电流暂停模式，电流暂停阶段磁压力消失是导致过热系数随丝长增加而减小的根本原因。丝长增加将导致残留丝核、弥散蒸汽层等径向不均匀现象以及分层结构等轴向不均匀现象的出现。提出了长丝电爆炸沉积能量提升措施与空间形态均匀性调控方法：增加充电电压可改善电爆炸模式、提升过热系数，是消除残留丝核的有效措施；增加气压可有效改善空间形态均匀性。研究结果对电爆炸法高效制备纳米粉体具有重要工程价值，对深入理解电爆炸物理机制具有重要学术意义。     

水中铜丝电爆炸激光阴影及流体模拟研究

水中金属丝电爆炸是获得水下强冲击波的有效方式。为此采用双透镜四焦距成像系统减小相差,在保证良好对焦的前提下拍摄了最优放电模式下水中铜丝电爆炸的激光阴影图像,并结合放电电信号波形对其演化过程进行了描述和分析。实验结果表明:金属丝在熔化结束之前产生第1个明显的压力波,该压力波在阴影图像中呈现分层结构,并以接近静水声速的速度传播,其后被主冲击波追赶直至淹没。在汽化阶段,金属丝开始显著膨胀,且早期水流密度分布造成阴影图像边界模糊。爆炸丝及主冲击波均表现出良好的轴向均匀性,边界平滑、整齐。进一步利用流体力学模型对上述丝爆产生冲击波过程进行研究,基于实测爆炸丝膨胀轨迹模拟得到的冲击波传播轨迹与实验结果高度一致;冲击波波形及爆炸丝压力等重要物理信息也可通过模型计算给出。     

大气压射频辉光放电阻抗特性的实验研究

为研究大气压射频辉光放电过程中不同工作气体(氦气和氩气)对发生器等效阻抗的影响,基于等离子体的介电特性,建立了描述等离子体区域的"电阻-电容混联"等效电路模型;通过实验测量放电电压及电流,并基于等效电路模型来计算等离子体在放电过程中的电子数密度,从而得到等离子体发生器的等效阻抗。实验测量了大气压射频辉光放电的放电电压及电流,并基于等效电路模型得到了等离子体发生器的等效阻抗及放电区的电子数密度。实验结果表明:对氦气和氩气放电,在α放电模式下其电阻及电抗的绝对值均随着放电电流的增加而减小,而电子数密度则随放电电流的增大而线性增加;且在相同的放电电流条件下,氩等离子体的电阻和电容都比氦等离子体高。研究结论可作为等离子体在不同工作气体条件下放电阻抗匹配研究的参考。     

铜丝电爆炸等离子体对含能材料的驱动特性

水中冲击波技术应用广泛,冲击波的能量和重复频率是其实际应用的重要指标。金属丝电爆炸驱动含能材料的方法,可实现保证重复频率工作的前提下,提高冲击波能量,增强其破坏效应。为此研究了不同系统初始储能下铜丝几何参数对驱动效果的影响,分析了金属丝包覆含能材料后的放电特性,并通过对金属丝放电波形和冲击波波形的对比分析,研究了不同系统初始储能下,铜丝几何参数对驱动效果的影响。研究结果表明:覆于金属丝外部的含能材料会吸收丝爆产生冲击波的能量,从而减小冲击波峰值压力,但会增大冲击波冲量,增强了冲击波的破坏效应;系统储能较低时,存在最优金属丝参数,一定条件下使其对含能材料的驱动效果最佳,产生的冲击波最强;当系统储能较高时,金属丝直径等参数对驱动效果的影响不显著;金属丝电爆炸驱动含能材料的机制可能是强冲击波、等离子体和强辐射等因素的联合作用。     

正极性直流驱动大气压氦气等离子体射流的传播机制：氦气–空气混合层的影响

氦气等离子体射流在生物医学、材料处理等诸多领域具备广阔的应用前景。该文通过二维等离子体流体仿真模型,研究正极性直流驱动等离子体射流阴极导向传播的物理机制,并进一步探讨氦气–空气混合层以及放电通道内混合少量空气杂质对放电的影响。仿真结果与实验观测结果较好地吻合,并进一步表明:氦气–空气混合层内电子能量分布导致的电子碰撞电离速率变化是形成阴极导向流柱和空心截面电离波结构的本质原因;潘宁电离能够促进放电,但是对形成流柱和电离波结构不具有决定性影响;放电核心通道内少量的N_2/O_2杂质对放电存在通过潘宁电离促进放电,以及通过分子激发耗散能量和O_2吸附电子抑制放电这两种竞争性作用。     

不同负载尺寸下水中铜丝电爆炸特性的实验研究

水中金属丝电爆炸是获得水下强冲击波的有效方式,在液电成型、非常规天然气开采等领域有重要应用前景。为此基于水中金属丝电爆炸实验平台,在固定初始储能下研究了较大范围内负载直径和长度对水中铜丝电爆炸电学特性和冲击波特性的影响,并研究了不同回路电感和初始储能下匹配模式的负载尺寸,基于实验数据对匹配模式经验公式进行了分析和修正。实验结果表明金属丝直径和长度的改变会显著影响金属丝汽化后的电阻,使电爆炸过程出现不同的放电模式,其中匹配模式能量沉积效率和产生的冲击波近场峰值近乎最高,且一定电路参数对应的负载尺寸唯一;水下丝爆冲击波波前在传播过程中由柱面(近场)向球面(远场)过渡,其峰值压力可近似认为按径向距离的常数幂衰减,不同长度金属丝产生的冲击波随传播距离的衰减快慢不同,基于实验数据给出了衰减指数的经验公式。     

用于制备纳米粉体的电爆炸金属丝演化过程诊断及电爆炸模式分析

研究电爆炸丝演化过程对于理解丝爆物理机制和纳米粉体生成机制具有重要意义。该文采用马赫曾德(Mach-Zehnder)激光干涉法对金属钛丝在空气中的电爆炸过程进行诊断,环境气体气压为适宜纳米粉体制备的气压,范围为几～几百kPa。诊断结果表明,钛丝存在两种电爆炸模式:多次喷发模式和一次喷发模式。环境气体气压决定了钛丝的电爆炸模式,当环境气压较低(如为10kPa左右)时,因钛丝沿面击穿过早终止了钛丝的焦耳加热过程,钛丝中沉积能量远低于钛丝完全汽化所需能量,钛丝不能一次性完全汽化,其材料将采用多次喷发模式汽化;随着环境气压升高,如接近或高于50kPa时,钛丝沿面击穿时刻推迟,从而使钛丝中沉积能量接近甚至高于完全汽化所需能量,钛丝材料将一次性喷发完毕。     

面向量产的氩气中铝丝电爆炸及纳米颗粒粒径分布特性

铝纳米颗粒具有广泛的应用前景,金属丝电爆炸是高效批量生产铝纳米颗粒的重要途径。为了进一步提高铝纳米颗粒的制备效率和产量,研究了更高初始质量铝丝(长度7～15 cm、直径0.1～0.4 mm)在电压20～30 kV、气压100～300k Pa下的电爆炸特性及其纳米颗粒粒径分布特性,获得了铝丝长度、丝直径、充电电压、氩气气压对电爆炸过程中的电压电流波形和金属丝沉积能量的影响规律,建立了沉积能量及过热系数与纳米颗粒粒径分布的对应关系。实验结果表明:增加铝丝长度和直径,电爆炸丝中的单位体积沉积能量减小,纳米颗粒的平均粒径增大,且粒径大于100nm的颗粒占比显著提高;当铝丝参数一定时,提高充电电压可以使单位体积沉积能量增大,纳米颗粒的平均粒径减小;氩气气压对沉积能量和纳米颗粒粒径分布特性的影响较小。     

水中大电流脉冲放电激波影响因素分析

利用液电脉冲放电产生强有力的激波在碎石、液电清砂等领域获得广泛应用。基于液电脉冲激波实验平台,采用高速摄像机拍摄针–针电极放电形成的电弧膨胀过程,研究了水中放电电弧发展的随机性以及激波强度与电弧膨胀速度的对应关系。放电电弧的击穿路径不规则,激波强度主要取决于传递到电弧通道的功率与能量。电弧长度增加,电流峰值降低,但注入电弧通道的功率与能量增大,电能向机械能的总转换效率提高,激波强度增强。     

均匀电场下SF_6/CF_4流注放电数值模拟

文中从气体放电过程中微观粒子的运动特性出发,针对均匀电场中SF_6/CF_4混合气体的流注放电特性进行数值模拟。基于两项近似求解Boltzmann方程的方法,得到不同压强、混合比下SF_6/CF_4的电子能量分布(electron energy distribution function,EEDF)。根据EEDF计算折合电离系数和折合吸附系数,将该放电参数引入流体模型,以气体压强0.1 MPa、间隙距离5 mm为例模拟SF_6/CF_4的流注放电过程,研究放电过程中空间电子数密度随时间和空间的变化规律。结果表明:混合比一定时α/N随E/N的增大显著提高,E/N一定时混合气体中CF_4体积分数越高α/N值越大;随着电子崩向前发展,崩头的电子迅速增长,放电5 ns时电子数密度峰值达到9.7×10~(12)m~(-3),当间隙完全击穿,电极间形成等离子体导电通道,此时空间电子数密度分布基本均匀,电子数密度达到10~(17)数量级。     

金属丝电爆炸研究进展-(Ⅰ):真空环境

真空中金属丝电爆炸在Z箍缩等离子体、X射线源等有重要应用,特别是纳秒脉冲下金属单丝的电爆炸行为是丝阵Z箍缩的最初始阶段,对丝阵Z箍缩内爆辐射特性有重要影响,因而受到特别关注。目前,利用高时空分辨的等离子体诊断系统和数值模拟手段,真空环境中金属丝电爆炸的研究已在实验诊断、调控方法、理论模型等方面取得了许多重要研究成果。在介绍发展历史的基础上,主要针对真空环境中纳秒脉冲下金属单丝电爆炸的相关研究,描述了金属丝电爆炸的基本特性,总结了电参数和丝参数对电爆炸特性的影响规律,分析了提高金属丝中沉积能量以实现金属丝汽化的调控方法,并综述了数值模拟中电爆炸丝状态方程、输运参数和磁流体模型等的主要进展,最后指出了研究面临的挑战和未来发展的方向,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定的借鉴意义。     

基于PIC/MCC法爆炸性气体环境下的微尺度放电特性

为了研究爆炸环境下微间隙放电的微观特性,以国际标准IEC火花试验装置为研究对象,建立了瓦斯与空气混合气体环境下,以钨丝为阳极和镉盘为阴极的二维平行板放电仿真模型。采用粒子法(PIC/MCC)进行仿真,研究了平行板极间电压为295 V、极距为5μm的微间隙放电动态过程;从微观层面分析了爆炸性气体环境下微尺度放电机制,同时讨论了极距和瓦斯体积分数等因素在放电过程中对微观粒子的影响,进而揭示这些因素对放电电压和电流特性的影响。最终的仿真结果表明:极距在5μm时微间隙放电的主要机制是场致发射,而并非是以碰撞电离及电子雪崩为主要特征的气体放电,放电过程中CH类离子粒子数并未有明显变化而电子数量变化较为明显;当极距为15μm时,微间隙放电的主要机制是气体发生雪崩式电离,混合气体中的甲烷体积分数会影响放电结果:甲烷体积分数在3.5%～13.5%范围内时,体积分数每增加5%,放电中阳极吸收电流就会增加10 mA,在微观上表现为随着混合气体中甲烷体积分数的不断增加,CH类离子产生的速率也会有所提高,且甲烷气体在放电过程中贡献程度也在不断增加。并搭建了爆炸环境下微间隙放电试验平台,进一步从实验方面验证了改变极间距离时微观粒子的变化所表现出的宏观特性。