CN107633840B - 高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，包括：根据液电脉冲激波发射器中的液体性质和发射器结构尺寸获得单位电压作用下的激波间隙电场分布；根据工作液体中产生超音速流注的临界条件调控脉冲功率电源的工作电压U_b；当激波发射器中的电极附近电场达到超音速流注的临界条件时，使得激波发射器工作在超音速流注击穿模式下；当需调控电压超过脉冲功率电源的最高工作电压仍无法达到超音速流注的临界条件时，则通过调整激波发射器的电极结构来提高间隙间的电场强度；重复步骤使得当工作电压低于脉冲功率电源的最高工作电压时仍使间隙间的电场强度达到或超过产生超音速流注击穿的起始场强E_b，实现预击穿时延调控。

Description

高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法

技术领域

本发明属于高电压技术与脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法。

背景技术

液体中进行的高压脉冲电弧放电，在电弧快速剧烈膨胀的过程中，会沿膨胀方向辐射出高强度脉冲激波，该现象被称之为“液电效应”。如今，该效应已被广泛应用于油气增产、激波碎石、液电成型和水下声源等领域。

随着液电脉冲激波在油气增产、水下声源等领域的广泛应用，深地、深海环境下的高静压力成为制约液电脉冲激波应用的主要瓶颈之一。一般液电脉冲激波的产生是通过脉冲功率电源向激波发射间隙进行放电，其过程可以分为预击穿阶段和主放电阶段。常规液体的击穿过程可采用“气泡理论”进行解释。当电压施加到液体间隙后，在泄漏电流的焦耳加热作用下，电极附近液体局部汽化，进而在液体内部形成放电，逐步向另一电极推进，完成间隙击穿。随着静压力的升高，液体内的溶解气体更少，气泡的形成更加困难，从而使得预击穿过程的时延显著增大。在预击穿过程中，液体间隙的阻抗约为数十至百欧姆量级，使得脉冲功率电源中的电容储能快速泄放，产生能量损失。当间隙完全击穿，主放电阶段能够转化为激波能量的总储能显著减小，使得激波强度随着静压的升高而下降，影响其作用效果。同时对应于深地、深海环境的应用，一般要求液电脉冲激波发射***的体积小，***总储能有限，因此需要采取有效措施降低高静压力下预击穿过程中的能量损耗，提高激波的强度。然而，目前缺乏有效的、针对高静压力下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，其目的在于通过激波间隙电场与外施电压的综合调控，使得高静压下液电脉冲激波发射器工作在超音速流注击穿模式下，显著减小液体间隙的预击穿时延，提高液电脉冲激波发射***电能向机械能的转换效率。

本发明提供了一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，包括下述步骤：

(1)根据液电脉冲激波发射器中的液体性质和发射器结构尺寸获得单位电压作用下的激波间隙电场分布；

(2)根据所述激波间隙电场分布获得工作液体中产生超音速流注的临界条件，并根据工作液体中产生超音速流注的临界条件调控脉冲功率电源的工作电压U_b；

(3)当激波发射器中的电极附近电场达到超音速流注的临界条件时，使得激波发射器工作在超音速流注击穿模式下；

当需调控电压超过脉冲功率电源的最高工作电压仍无法达到超音速流注的临界条件时，则通过调整激波发射器的电极结构来提高间隙间的电场强度；

(4)通过重复步骤(2)-(3)使得当工作电压低于脉冲功率电源的最高工作电压时仍使间隙间的电场强度达到或超过产生超音速流注击穿的起始场强E_b，实现预击穿时延调控。

更进一步地，步骤(1)中，发射器结构尺寸包括高压电极曲率半径 R₁、低压平板电极半径R₂、电极间隙距离L、绝缘构件沿面距离D和金属外筒半径R₃。

更进一步地，步骤(2)中所述工作液体中产生超音速流注的临界条件为电极间隙间产生超音速流注所需的起始场强E_b。

更进一步地，步骤(3)中，调整激波发射器的电极结构具体为：改变电极曲率半径R₁，改变电极附近电场，实现增加电场的畸变程度。

本发明使得液电脉冲激波发射器工作在超音速流注击穿模式下，其预击穿时延随静压的增长幅度较常规击穿模式要显著减小，有利于在高静压下获得更高强度的激波，并可保证液电脉冲激波发射器在高静压下高效、稳定与可靠工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法的实现流程图。

图2是本发明实施例提供的液电脉冲激波发射器的典型结构示意图。

图3是本发明实施例提供的施加该调控方法后发射器内流注发展动态图。

图4是本发明实施例提供的施加该调控方法后预击穿时延随静压力的变化关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的是提出一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，通过激波间隙电场与外施电压的综合调控，使得高静压下液电脉冲激波发射器工作在超音速流注击穿模式下，显著减小液体间隙的预击穿时延，提高液电脉冲激波发射***电能向机械能的转换效率。

在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法中，激波发射***由激波发射器与脉冲电源两部分组成；该调控方法将影响激波发射***的整体作用效果。

其中，激波发射器由高压电极、低压电极、绝缘结构件和金属外筒组成；如图2所示，高压电极与低压电极呈上下对置状态，构成激波发生区域；绝缘结构件紧密包附于高压电极上；金属外筒与低压电极连接形成一体结构，共同构成脉冲放电回路。

激波间隙电场与外施电压的综合调控需综合考虑液电脉冲激波发射器的结构尺寸、液体的性质和脉冲电源的运行参数。激波间隙电场与外施电压的综合调控应使得工作液体中的间隙电场强度达到超音速流注的起始电场，如自来水中该电场约为28kV/mm。其中，需考虑的液电脉冲激波发射器的结构尺寸包括高压电极曲率半径、低压平板电极半径、电极间隙距离、绝缘构件沿面距离和金属外筒半径。脉冲电源的运行参数包括电源的工作电压幅值。液体性质则决定了在工作液体中放电间隙间达到超音速流注的起始电场强度。

本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，其步骤如下：

步骤一：根据液电脉冲激波发射器中的液体性质(电导率、介电常数等)和发射器结构尺寸，通过解析方法或有限元分析方法获得单位电压作用下的激波间隙电场分布；其中，发射器结构尺寸具体包括高压电极曲率半径R₁、低压平板电极半径R₂、电极间隙距离L、绝缘构件沿面距离D和金属外筒半径R₃。

步骤二：根据工作液体中产生超音速流注的临界条件，即电极间隙间产生超音速流注所需的起始场强E_b，调控脉冲功率电源的工作电压U_b，使得激波发射器中的电极附近电场达到超音速流注的临界条件，使得激波发射器可以工作在超音速流注击穿模式下，由于在该工作模式下，预击穿时延不随着静压力的增长而显著增加，因而可使得在高静压力下发射器亦工作在超音速流注击穿模式下。

步骤三：若需调控电压超过脉冲功率电源的最高工作电压仍无法达到超音速流注的临界条件，则需调整激波发射器的电极结构，通过改变电极曲率半径R₁，改变电极附近电场，增加电场的畸变程度，从而提高间隙间电场强度。重复步骤二、三，使得工作电压低于脉冲功率电源的最高工作电压，仍可使间隙间电场强度达到或超过产生超音速流注击穿的起始场强E_b，则完成调控方法计算。

为了进一步说明本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，现结合附图以及具体实例详述如下：

图1所示为高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控步骤，如下：

步骤一：根据液电脉冲激波发射器中的液体性质(电导率、介电常数等)和发射器结构尺寸，通过解析方法或有限元分析方法获得单位电压作用下的激波间隙电场分布；其中，发射器结构尺寸具体包括高压电极曲率半径R₁、低压平板电极半径R₂、电极间隙距离L、绝缘构件沿面距离D和金属外筒半径R₃。

步骤二：根据工作液体中产生超音速流注的临界条件，即电极间隙间产生超音速流注所需的起始场强E_b，调控脉冲功率电源的工作电压U_b，使得激波发射器中的电极附近电场达到超音速流注的临界条件，使得激波发射器可以工作在超音速流注击穿模式下，由于在该工作模式下，预击穿时延不随着静压力的增长而显著增加，因而可使得在高静压力下发射器亦工作在超音速流注击穿模式下。

步骤三：若需调控电压超过脉冲功率电源的最高工作电压仍无法达到超音速流注的临界条件，则需调整激波发射器的电极结构，通过改变电极曲率半径R₁，改变电极附近电场，增加电场的畸变程度，从而提高间隙间电场强度。重复步骤二、三，使得工作电压低于脉冲功率电源的最高工作电压，仍可使间隙间电场强度达到或超过产生超音速流注击穿的起始场强E_b，则完成调控方法计算。

图2是一种液电脉冲激波器的剖面结构示意图，包括高压针电极101、低压平板电极102、绝缘构件103以及金属外筒104。液电脉冲激波发生器的结构参数主要包括：高压针电极曲率半径R₁、低压平板电极半径R₂、金属外筒内径R₃、金属外筒外径R₄、间隙距离L、高压针电极与金属外筒间绝缘构件的沿面距离D。

以液电脉冲激波在油气增产应用中为例，激波发射器的尺寸受运行环境的限制，对金属外筒内径R₃提出了严格的要求，具体要求视具体环境条件而定，金属外筒外径应小于环境参数允许条件下的最大可承受内径R_max，金属外筒壁厚应大于满足承受高液体静压P₀的最小厚度d_min。此外，电极在放电过程中电极存在烧蚀现象，故需要高压针电极的尖端半径不小于电极曲率半径耐烧蚀下限值R_min。

一般液电脉冲激波发射器的工作间隙为针-板电极，间隙电场为极不均匀电场，电压极性对其工作特性有较大影响。正极性流注以亚音速模式和超音速模式传播。在亚音速模式下的流注传播速度很低，导致预击穿时延较长，击穿分散性较大，但形成流注所需电压较低。在超音速模式下的流注传播速度极快，预击穿时延很短，击穿分散性较小，但形成流注所需电压很高。负极性流注一般以亚音速模式传播，传播速度介于正极性亚音速与超音速流注之间，故预击穿时延和击穿分散性亦介于两者之间。本实施例中，选择正极性工作模式。

本实施例中，考虑到电极曲率半径应不小于满足耐烧蚀性能所需的最小半径R_min(即电极曲率半径下限值)：R₁≥R_min……(1)；这里考虑高压针电极尖端半球的烧蚀情况，耐烧蚀性能要求电极在N次放电后，其质量损失比率小于A_e，即有：M_e/M₀≤A_e……(2)；式中：M_e为N次放电后电极损失的质量；M₀为电极尖端半球的初始质量。M_e和M₀分别满足： M_e＝N·δ·Q……(3)；M₀＝2·π·ρ·R³ _min/3……(4)；式中：δ为电极材料在水中的烧蚀速率；ρ为电极材料的密度；Q为单次脉冲放电的转移电荷量。立式(4)～(6)，可得R_min：R_min＝[(N·δ·Q)/(2·π·ρ·A_e/3)]^1/3……(5)；在确定针电极的最小半径R₁后，可通过设置间隙距离L、板电极半径R₂、液体性质参数等，通过解析法或有限元法获得单位电压下液体间隙的电场强度。电场最强点一般位于针电极的端部，其大小可近似表示为：E_int＝(2U_int/R₁)/ln(4L/R₁)……(6)；式中：U_int为施加在间隙上的单位电压； E_int为针电极附近的最大场强。

此时，经计算得到间隙中形成超音速流注的起始场强为E_b，例如，当液体静压为一个大气压(约10⁵Pa)，高压脉冲持续时间为500μs时，电导率为350μs/cm的自来水对应的超音速流注形成场强约为28kV/mm。则可得到此时间隙形成超音速流注放电所需的电压为：U_b＝U_int·E_b/E_int……(7)；式中，U_b为达到超音速流注放电临界条件所需施加的工作电压。

若满足U_b≤U_max，其中U_max为脉冲功率电源的最高工作电压，则通过电压调控即可实现间隙工作在超音速流注击穿模式下；若满足U_b>U_max，则此时的调控条件难以满足，应修正激波发射器的间隙结构参数，重新核算，直到满足条件为止。

图3示出了本发明实施例提供的施加该调控方法后发射器内流注发展动态图；在亚音速流注击穿模式下，整个预击穿过程完成经历了192μs的，而在超音速流注击穿模式下，整个预击穿过程完成仅经历了6μs，更长的预击穿过程(即预击穿时延)预示着更高的预击穿能量损耗，削弱放电产生的液电脉冲激波强度，进而影响到其作用效果。

图4示出了本发明实施例提供的施加该调控方法后预击穿时延随静压力的变化关系图；在调控前(亚音速放电模式)，预击穿时延随着静压力的增加而增加，静压力对预击穿时延的影响非常显著；在调控后(超音速放电模式)，静压力对液电脉冲放电的预击穿时延几乎无明显影响，更有利于在高静压条件下获得更高强度的液电脉冲激波。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高静压下液电脉冲激波发射器的预击穿时延调控方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据液电脉冲激波发射器中的液体性质和发射器结构尺寸获得单位电压作用下的激波间隙电场分布；

(2)根据所述激波间隙电场分布获得工作液体中产生超音速流注的临界条件，并根据工作液体中产生超音速流注的临界条件调控脉冲功率电源的工作电压U_b；

(3)当激波发射器中的电极附近电场达到超音速流注的临界条件时，使得激波发射器工作在超音速流注击穿模式下；

当需调控电压超过脉冲功率电源的最高工作电压仍无法达到超音速流注的临界条件时，则通过调整激波发射器的电极结构来提高间隙间的电场强度；

(4)通过重复步骤(2)-(3)使得当工作电压低于脉冲功率电源的最高工作电压时仍使间隙间的电场强度达到或超过产生超音速流注击穿的起始场强E_b，实现预击穿时延调控；

步骤(1)中，发射器结构尺寸包括高压电极曲率半径R₁、低压平板电极半径R₂、电极间隙距离L、绝缘构件沿面距离D和金属外筒半径R₃；

步骤(2)中所述工作液体中产生超音速流注的临界条件为电极间隙间产生超音速流注所需的起始场强E_b；

步骤(3)中，调整激波发射器的电极结构具体为：改变电极曲率半径R₁，改变电极附近电场，实现增加电场的畸变程度。