融合科学前沿的液体电介质击穿教学研究(2)

2 液体电介质击穿的科学前沿

2.1 液体电介质放电综合观测方法

笔者已构建的液体电介质击穿及放电综合观测平台如图2所示。储能电容C可通过全自动充电机充电至设定电压。采用触发式气体开关TGS(Triggered Gas Switch)控制回路导通。放电单元置于带有观测窗口的不锈钢箱体中。间隙两端的电压、电流信号以及激波压力信号分别通过高压探头(Tektronix P6015A)、电流探头(PEM CWT120)与压力探头(PCB 138A01)采集，并储存于高精度示波器中(Lecroy HDO 4034)。

液体电介质击穿过程通过一台配有微距镜头(Nikon 105 mm 2.8G)的高速摄影机(Photron FASTCAM SA-X)采集，最大拍摄帧速率(Frames Per Second-FPS)为50万。采用200W高功率LED灯(JINBEI EF-200 5500?K)提供背景光，便于更清晰观测气泡与流柱。高速摄影机通过光电隔离单元，实现与示波器互联，触发时延小于200?ns。平台通过光电隔离单元实施控制与安全泄放，具有较高的安全性。

图2 液体电介质击穿及放电综合观测平台[6]

该平台可以研究液体电介质击穿、击穿后的等离子体通道及空腔发展过程，能够直观观察液中流柱的起始、动态发展过程，模拟液电成形等前沿应用。

2.2 液中气泡产生及流柱起始机理

如图3所示，水中流柱的起始过程包括低密度阴影区的形成与扩张、初始气泡的形成与膨胀以及初始流注的产生三个阶段。阴影区被认为是由纳米微气泡、空穴、裂隙甚至蒸汽组成的一种相不稳定系统，其出现有助于初始气泡的形成。电极附近液体介质存在扰动，可能与焦耳加热作用导致的局部液体温度升高，引起局部液体密度的变化有关。液体在外电场作用下的扰动、低密度区形成的机理尚未完全研究清楚。但是，这个实验现象可以形象说明液体电介质击穿过程中，因电极附近焦耳热产生微气泡的过程，有助于学生们理解。

由于气体与液体的介电常数差异较大，在气泡顶端的气-液交界面处，将产生很大的电场畸变，因此流注将会优先从气泡顶端生长与发展。气泡在外电场的作用下会拉伸变形，同时不断累积产生新气泡。这些观测现象都能从视觉上加强学生对液中气泡产生、变化过程的理解。

2.3 液体电介质击穿过程的流柱形态研究

如图4所示，流柱起始后，随着能量不断地注入，气泡簇持续扩张，负极性流柱向正极性平板传播。在传播过程中，气泡簇的发展速度很平稳，保持在40 m/s左右。气泡簇的边缘与液体间存在明显的过渡区域，即气体鞘层，反映了主要电离过程发生于气泡簇内侧，符合气泡击穿理论。

图3 正极性流注的起始过程[5]

图4 负极性下亚音速流柱击穿过程[5]

图5所示正极性电压作用下超音速流柱的形成及发展过程。气泡簇的初始轮廓较光滑，然而电场的不均匀性导致了气泡簇发展的各向异性，以及发展过程中气泡内部的放电过程，使气泡簇的顶端形成了突起。突起处的电场畸变较大，在畸变强电场作用下，突起将变得更加的尖锐。

图5 正极性下超音速流柱击穿过程[5]

在更高的外施场强下，强烈的内部放电过程有利于尖端突起的形成，故亚音速气泡簇的形态会变得更加尖锐，似锥体。当外加电场上升，亚音速气泡簇尖端突起处的场强高于液体直接电离场强时，将在该处发生自持式的液体电离过程。因液体中电离波的传播速度远大于液体蒸发相变的传播速度，此时流注的传播速度会有极大的提升，该部分也将突出以形成树枝状结构。该过程符合液体电介质直接电击穿理论，发展更快，同时需要更高的外施电场作用。

2.4 液电脉冲激波调控及其应用

液体电介质击穿后，大电流注入等离子体通道，通道及附近空腔快速膨胀。由于液体的弱可压缩性，向外辐射出强力的激波。典型的电压、电流与激波波形如图6所示。激波可应用于液电成形、油气增产等工业领域，也可应用于水下声呐等国防领域。液电脉冲激波特性及其调控方法是液体电介质放电的热点研究方向之一[7]。液体电介质放电在工业、国防领域的广泛应用，便于融合爱国主义教育，可以激发学生的学习兴趣，明白学有所用。

图6 液体放电典型电压、电流与激波波形[8]

3 液体电介质击穿的教学设计

融合科学前沿的教学设计时，教学资源具有以下优势：

(1)所融合的研究对象紧扣学科前沿的基础理论或应用，本身具有较强的趣味性，能够激发学生的学习兴趣，拓展学生知识面；

文章来源：《高电压技术》 网址: http://www.gdyjszzs.cn/qikandaodu/2021/0710/663.html