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。     

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。     

金属丝电爆炸研究进展-(Ⅱ):水环境

水中金属丝电爆炸在温密等离子体基础研究、强冲击波产生等方面有重要应用,受到研究人员的持续关注。基于大量实验结果及多种精密诊断系统,研究人员对水中金属丝电爆炸的基本物理过程和实验规律有了更深入的认识,并基于此建立了多种仿真模型,取得了一些重要的研究成果。文中在广泛调研国内外现有文献的基础上,描述了水中金属丝电爆炸的电爆炸特性和冲击波特性,分析了丝参数、电参数和水介质参数对于水中金属丝电爆炸的影响规律,总结了水中金属丝电爆炸仿真研究采用的比作用量模型、无量纲模型和磁流体模型,并对水中金属丝阵内爆研究,以及水中金属丝电爆炸在产生强冲击波、制备纳米材料等的应用研究进行了综述。最后指出水中金属丝电爆炸在电爆炸产物的密度和冲击波压力测量、丝爆相变过程和击穿过程等方面还有待深入研究,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定的借鉴作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

硅橡胶电树枝通道微观形貌研究

电树枝是引起聚合物绝缘材料破坏的重要因素之一,电树枝通道形貌包含了材料绝缘寿命、缺陷形成机理等重要信息。为此,利用共焦显微镜,首次使用荧光显微法对电缆内绝缘用硅橡胶(SIR)材料中电树枝老化通道进行逐层扫描观测,得到荧光显微法三维电树枝形态图和透射光源法电树枝微观形态图。另外,利用扫描电子显微镜(SEM)对电树枝通道横切面进行观测,得到电树枝通道横切面电镜图像并利用暗视野显微成像得到电树枝通道落射光法显微图像。通过上述4种实验观测方法得到的电树枝通道形貌图表明,硅橡胶电树枝通道整体形态为由球状破坏点连成的树枝状中空气隙通道,这种形貌特点首次通过实验方法直接观测得到。进而,基于这一实验结果和电树枝局部放电理论,提出了硅橡胶电树枝球状生长模式,不仅与实验观测相符合,也可为进一步研究硅橡胶中电树枝生长机理提供基础。     

氩气气压对铝丝电爆炸合成纳米粉体特性的影响

为了研究氩气气压对铝丝电爆炸法合成的铝纳米粉体特性的影响,建立了一台基于金属丝电爆炸的纳米粉体生产和收集装置,在不同氩气气压条件下成功地制备了铝纳米粉体。利用透射电子显微镜(TEM)观察了合成的铝纳米粉体的形态与结构,并通过TEM图像分析得到了铝纳米粉体的粒径大小及其分布。结果表明:当氩气气压较高时,铝纳米粉体颗粒外形规则,呈球形;其平均粒径比低气压时大;当氩气气压<100kPa时,较高的氩气气压可显著地扩宽铝纳米粉体的粒径分布范围。分析发现,采用这种方法制备的铝纳米粉体的颗粒外形、颗粒粒径及其粒径分布均可以通过改变氩气气压来进行控制。     

液体中金属丝电爆炸的研究现状与展望

液体中金属丝电爆炸(丝爆)不同于介质电击穿过程,涉及复杂金属相变,可产生具有更高能量效率的冲击波,已在化石能源开发等领域取得成功应用,也凸显出在地质勘探、矿山与安全工程等领域的巨大应用潜力.文中回顾了电爆炸冲击波技术的发展历程,基础研究方面分别从丝爆物理过程与冲击波产生机理、测量诊断和评估方法、冲击波特性与影响因素进行...     

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。     

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。     

电爆炸金属丝电路特性的研究

测定金属丝在不同条件下发生电爆炸时金属丝上的电压和电流,通过研究得到金属丝在不同条件下的电爆炸规律,在此基础上改进了单丝一维单温磁流体动力学数值计算模型,使之能够计算多丝并联电路.计算结果与实验结果基本吻合并能对各种含电爆炸元件的电路做出估算,为电爆炸断路开关的设计和改进提供参考.     

电爆炸丝方法产生纳米二氧化钛粉末

为了研究电爆炸丝方法产生纳米金属氧化物粉末的技术特点,设计了金属丝电爆炸和粉末收集的实验装置。利用钛金属丝的电爆炸在实验中成功制备了纳米二氧化钛粉末,分析表明该粉末由金红石和锐钛矿共同组成,其体积平均粒度达到44.1nm。在不同实验条件下进行了产生纳米粉末的实验,根据实验结果分析了粉末粒度随各条件的变化关系,发现粉末粒度受电爆炸腔内气压、金属丝直径以及能源大小的影响:(1)粉末粒度随气压降低而变小;(2)粉末粒度随金属丝直径减小而变小;⑶粉末粒度随电容器初始储能大小非线性变化。     

电爆炸丝断路开关的电磁辐射研究

为研究电爆炸丝开关切断时产生的强度在近距离内可对效应物产生严重破坏的电磁辐射,在TomaChan系统装置中用拉杆天线测得了所产生的电磁辐射信号波形并经FFT变换后得到其频谱也得到了通过电爆炸丝开关的电流。结果表明电爆炸丝开关所产生的信号是一个主频在75 MHz频谱较宽的电磁波。所测电流峰值约为19 kA,其随时间变化过程可以分为3个阶段。分析讨论了开关运行的辐射干扰现象以及产生机理,为辐射干扰进行屏蔽防护提供参考,可供带有电爆炸丝切断开关的脉冲功率系统产生辐射的研究参考。     

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。     

电爆炸丝和脉冲变压器驱动低阻抗负载研究

对脉冲放电电路中金属丝发生电爆炸后产生的高压脉冲驱动脉冲变压器在低阻抗负载(19Ω)上产生的电脉冲进行了研究,利用Ansoft Simplorer7软件建立了模块化集中参数电路模型,得到了与实验吻合的计算结果。初步研究表明,电爆炸丝驱动脉冲变压器在低阻抗负载上不能产生超高压脉冲,但可显著展宽负载得到的电压脉宽,在需要长脉宽应用场合有潜在的应用前景。     

硅橡胶电树枝老化显微图像与局部放电特性对应关系

局部放电检测是保障电力电缆正常运行提供了最为可行的手段之一,但其对电缆附件硅橡胶绝缘中电树枝老化状况的诊断理论依据尚十分不足。为此,通过试验同步观测了高压电缆附件用硅橡胶材料电树枝老化过程中的图像和局部放电特征。研究表明:局部放电频次–相位–放电量呈现宽相位范围内的随机分布特性;放电与电树枝老化图像说明放电次数与电树枝分形维数随电树枝发展同时增长,当局部放电频次高时,硅橡胶中电树枝容易呈现树枝通道较为密集的丛状和松枝状电树枝。该研究首次将电树枝唯象特征与脉冲序列特性进行比较分析,发现大放电量脉冲对应电树枝通道的快速伸长;有明显主干通道时,正半周中较大的放电脉冲数对应主干道条数。唯象特征、脉冲序列特性、局部放电信号的综合分析为利用局部放电检测硅橡胶绝缘中的电树枝老化状态提供了理论基础。     

采用电爆炸开关产生纳秒脉冲的实验研究

论述了电爆炸导体的爆炸机制,设计了两个电爆炸断路开关的电感储能电路,通过斩波来产生一个纳秒级大电流的单触发脉冲。通过实验探讨了电爆炸丝的参数对这个脉冲的影响。在实验中,通过调节导体参数,可得到脉宽100ns,幅值3kA的大电流脉冲。