非均匀电场对高黏流体中气泡分散特性的影响

电场强化多相流相间分散和传质技术广泛应用于化工生产领域,气泡的尺寸和分散行为以及连续相的物理性质是影响多相流系统中传质效率的重要因素。本研究设计并搭建了荷电液气分散实验平台,对非均匀电场作用下气泡在高黏流体中的分散行为进行可视化研究。捕捉了气泡在生长和分散过程中的形貌特征,研究分析了电场强度和气体流量对气泡分散行为和气泡尺寸的影响。实验结果表明,随着电场强度的增大,当电邦德数(BoE)达到4.5时,空气在甘油中的分散行为由滴状模式转变为串珠模式;而在达到8.7后又转变为混合模式,并最终在电邦德数达到17.8时转变为电晕模式。气泡直径随电场强度的增大显著减小,相比于无电场条件下的气泡尺寸,当电邦德数达到6.4时气泡直径减小了80%。在混合模式下气泡破碎成大量微气泡,微气泡直径在100μm以下,从而有效增加了气液两相接触面积。同时,研究表明气泡分散模式的转变主要取决于电场强度,增大气体流量对气泡分散模式的转变和气泡直径的影响较小。在现有的数据基础上,在0<BoE<16范围内建立了气泡直径与电邦德数相关的预测模型。该研究结果可为电场作用下复杂流体中气泡的生长和分散行为提供参考。

基于有限差分法的均匀电场二维正演模拟

正反演技术是获取全面地下介质信息的关键,研究者们一直致力于发展稳定、高效、高精度的地球物理正演技术。直流电阻率法中间梯度装置的主要观测区域的初始电场可视为水平均匀电场,本文为实现对直流电阻率法的中间梯度装置的电位分布及视电阻率曲线响应正演模拟,采用有限差分方法对二维地电模型的均匀电场进行正演。在前人基础上,采用非均匀网格剖分电流主要影响范围,以减少网格数量,提高计算效率。本文首先从均匀电场满足的拉普拉斯方程边值问题出发,详细地分析了非均匀网格剖分、微分方程的差分离散、线性方程组的求解等各个步骤。其次,对均匀半空间模型试算并与模型解析解对比,结果表明,地表视电阻率响应的有限差分数值解与解析解吻合,验证了有限差分算法的正确性和稳定性。最后,对单个异常体的二维地电模型和多个异常体模型的电场进行正演计算,总结了异常体及其电场分布规律。本文形成的有限差分算法,对于均匀半空间验算的正演模拟中,计算时间为2.43226 s,相对误差不超过1.5×10^(-12)%。在本文中的算例中,各个模型的视电阻率曲线图及电位等值线图都能较好地反应异常体的分布情况,说明本文的有限差分算法能对均匀外电场进行有效模拟,为实际测量数据的定性解释提供思路。

低温次大气压不均匀电场空气流注放电特性研究

搭建空气放电实验平台,并构建仿真模型,通过实验和仿真对低温次大气压不均匀电场空气流注放电特性展开研究。结果表明:当约化场强E/N相同时,海拔高度与流注分叉数目、流注传播速度、电流峰值以及电流衰减时间均呈负相关,与流注半径呈正相关,但仿真得到的流注传播速度和电流与实际相比略有不同;预电离区域的存在导致针-板和针-针电极结构下的放电形态不同;随着方波电压频率的增大,二次放电通道对于一次放电通道的依赖性逐渐增大。随着方波电压占空比的增大,二次放电通道仅在一次放电通道尾部有所体现。

脉冲非均匀电场下水滴运动及碰撞特性研究

为了提高油包水(W/O)乳液的破乳脱水效率,采用高压方波脉冲非均匀电场,并基于显微试验研究水滴极化后的碰撞行为及微观破乳过程(水滴液膜破裂后聚结)。结果表明:非电解质促进水滴弹/塑性碰撞行为,电解质削弱偶极作用而减小碰撞速度;加入非电解质,电参数对水滴塑性碰撞的影响大于直径比和体积,而加入电解质,直径比对塑性碰撞的影响最大,其次是体积和电参数;不同电压和频率下,乳液B(含非电解质)中水滴塑性碰撞速度极大值分别为9.451μm/s和8.577μm/s,远大于乳液A(对照组)和乳液C(含电解质),其中乳液C最小。研究得到的水滴碰撞聚结规律可为提高静电聚结器的脱水效率和研制高效电脱水器提供借鉴。

极不均匀电场下油流速度对变压器油中气泡动力学行为的影响

为研究复杂电场下变压器油流速度对油中悬移气泡迁移与畸变的影响规律,本文利用数值模拟的方法分析了气泡在不同油流速度下的迁移路径、畸变程度等特征。结果表明:当油流速度小于0.24 m/s时,气泡形状会发生周期性变化,其变化频率约为100 Hz。油流速度与气泡偏移高压锥极的距离、气泡畸变率、气泡内最大电场强度成正相关。

水平均匀电场下盐水中氯气气泡的聚并特性

实验测量了电场条件下盐水中氯气气泡的大小、气泡间距离及其聚并时间。采用两相流和相场模型对电场条件下氯气聚并过程进行了数值模拟。结果表明,采用实验和数值模拟方法所得到的气泡聚并时间的偏差为11.0%,说明两者吻合较好。在此基础上,分析了不同电压下气泡的聚并过程,考察了气泡直径、液体表面张力和黏度对氯气气泡聚并过程的影响。结果表明:在电压为0~200 V范围内,电压、气泡直径和液体黏度越大,气泡间距越大,聚并时间越长;液体的表面张力越大,气泡间距越小,聚并时间越短。

基于扇形非均匀电场的水滴成链及碰撞实验

为研究高压方波脉冲电场内油包水乳液中水滴的成链及碰撞特性,基于水滴极化运动理论,并采用扇形非均匀电场进行显微实验。结果表明:水滴成链速度随电压单调递增,但电压过大会加剧链上水滴的聚结,而破坏水滴排列影响成链速度;成链速度随频率的增加先增大后减小,当频率为300 Hz时有极大值0.251 5μm/s。小水滴向大水滴运动并发生碰撞,而尺寸相近的水滴做相向运动;塑性碰撞发生后,小水滴液膜破裂并融入到大水滴中聚结为一个水滴,且增大电压和减小频率,聚结行为显著增强。频率对碰撞速度的影响最大,其次是体积差和电压。得到了电压、频率和体积差对水滴极化后运动的影响规律,为电破乳器的研制提供借鉴。

不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿特性

在球-球和尖-板电极下测量了新型环保绝缘混合气体CF_(3)SO_(2)F/N_(2)和CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)的工频击穿电压,分析了气压、电极间距和电场不均匀度等因素对混合气体工频击穿特性的影响,并与SF_(6)进行了对比。结果表明:稍不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压与气压为正向线性关系,随间距增长击穿电压出现微弱的饱和趋势。极不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压随气压变化呈现“上升-下降-上升”的“驼峰”曲线,“驼峰”峰值对应的气压值在0.2~0.35 MPa之间。其中CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的工频击穿电压整体大于CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)混合气体。在0.3 MPa及以上,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体在极不均匀电场下仍可保持较高的相对SF_(6)绝缘水平,具备良好的应用潜力。

在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象

长期运行的油浸式电力设备内部会有少量气泡存在于变压器油中,而设备内部复杂的电场环境会使油中气泡运动形态发生改变,这将会引起电场畸变并最终造成绝缘劣化。本文设计了气泡自动生成装置,通过该装置模拟油中气泡产生,利用高速相机对其运动轨迹进行捕捉;通过有限元仿真软件建立气液两相流模型,获取气泡周围电场分布;借助仿真模型从力学角度对气泡上升时所伴随发生的回旋现象开展讨论。利用图像处理软件对拍摄结果进行处理,分析气泡尺寸以及电场强度对于气泡运动轨迹的影响,结果表明,气泡尺寸增大以及电场强度的增加均会改变气泡自身受力情况使运动偏移量增大;结合仿真计算分析可知,极不均匀电场的存在使气泡不同区域场强有所差异;对气泡表面区域进行划分并利用仿真结果对该区域受力进行计算,发现气泡不同区域受力方向各异,极不均匀场的存在导致表面受力不均是引发气泡位移、形变最终造成多气泡回旋的主要原因;两电极间出现多气泡短暂聚集,使电场畸变进一步加强,造成绝缘性能显著下降。研究结果可应用于长期运行的油浸式电力设备运行状态评估。

基于均匀电场的消雷器应用效果分析研究

在自然界中,雷击是一种较为常见的灾害,每年都会造成很多的人员伤亡和设备损坏。而传统避雷针存在较多问题,如保护范围小和存在感应过电压等,现场尝试采用基于均匀电场的新型消雷器进行雷电防护,但是该装置的防护效果一直存在争议。因此利用有限元软件COMSOL对该装置的防护效果进行分析,建立消雷器电场仿真模型,分析其在雷云天气下的周围电场分布,并将其放电现象简化成针板电晕放电,再加入横向风的影响,最终得到不同风速下中和电荷的传递效率。通过这些研究对该装置能否有效防雷展开分析,经仿真研究考虑到该装置的使用效果与自然环境关系密切,同时有效的使用条件较为苛刻,目前须谨慎采用消雷器在现场使用。

硫酸盐体系非均匀电场提镉工艺研究

以铜镉渣浸出液为原料,首先考察均匀电场和非均匀电场对提取金属镉的影响,再对非均匀电场的提镉工艺进行研究。单因素法获得非均匀电场提镉最佳工艺条件是:电流密度200 A m^(2)、温度40℃、脉冲占空比30%、溶液pH=3.0、电源频率200 Hz、反应时间2.5 h。最后,在不同温度和不同溶液pH下,对镉锌硫酸盐溶液进行循环伏安扫描,探究锌置换提取镉的阳极反应机理。结果表明,升高温度能促进镉的还原析出,减小pH不利于锌对镉的置换反应。铜镉渣浸出液中镉的提取回收对实现镉的源头减排与污染控制有重大意义。

CF_3I-N_2混合气体在稍不均匀和极不均匀电场中的工频击穿特性

三氟碘甲烷(CF3I)是近年来被认为最有可能替代六氟化硫(SF_6)的环保型绝缘气体之一。通过建立CF3I混合气体绝缘性能试验平台,对CF3I-N_2二元混合气体在不同体积分数(20%和30%)、气压(0.1~0.3 MPa)、放电间隙(5~30 mm)以及电场不均匀系数(针–板模型和球–板模型)下的工频击穿特性进行了研究,揭示了CF3I-N_2混合气体工频击穿电压受CF3I体积分数、间隙距离、气压以及电场不均匀度等因素的影响规律。结果表明,在稍不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压随放电间距的增大而增大,同时随气压的升高线性增加。在极不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压近似于随间隙的增大线性增加,但击穿电压随气压的变化出现了不同程度的饱和现象。与SF_6气体相比,CF3I体积分数为20%和30%的CF3I-N_2混合气体能够分别达到纯SF_6气体50%和55%以上的工频耐压水平。

C_4F_7N/CO_2混合气体在均匀和极不均匀电场下的工频绝缘性能

因C_4F_7N/CO_2混合气体的绝缘强度高,全球变暖潜力值小,作为SF_6的潜在替代气体备受关注。在均匀电场与极不均匀电场下通过工频击穿试验研究气压、混合比例对C_4F_7N/CO_2混合气体工频击穿电压的影响。结果表明:0.1～0.4 MPa气压范围内,C_4F_7N/CO_2混合气体在均匀电场下击穿电压随气压线性增加,在极不均匀电场下出现明显"驼峰"。均匀电场下7%C_4F_7N/93%CO_2混合气体的绝缘强度约为SF_6的0.8倍。C_4F_7N占比为9%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体具有与SF_6相当的工频绝缘强度。在极不均匀电场下,C_4F_7N占比为7%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体工频击穿电压依然可达到SF_6的0.79～0.86倍。通过与SF_6对比工频耐压,得出C_4F_7N占比为7%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体具有替代SF_6气体的潜力。

基于紫外成像技术的极不均匀电场电晕放电

为监测电气设备外绝缘缺陷、灵敏观察和准确定位电晕放电,以紫外光谱特征量为量化电晕放电强度的表征参数,以相同工频电压等级下的放电水平和电晕脉冲电流峰值作为量化比较参数,在基本相同的大气条件下,利用紫外成像技术试验研究了极不均匀电场工频电压下电晕放电。结果表明,电晕放电强度量化表征参数与量化比较参数之间的对应关系很好;表征参数可反映电晕放电的几个阶段;结合紫外成像反映的放电形态,可分辨电晕放电过程的各阶段,且紫外光谱特征量在电晕放电过程各阶段的分布具有一定的统计规律。最后提出选取流注放电阶段的紫外光谱特征量交集作为空气间隙击穿的注意范围判据。

稍不均匀电场中绝缘子附近导电微粒受力分析

建立稍不均匀电场中绝缘子附近的自由导电微粒所受作用力的2-D计算模型,通过对微粒表面Maxwell应力张量进行计算,得到微粒在电场中所受的静电力。改变电极倾斜角、绝缘子材料以及绝缘子的外形,对影响自由导电微粒运动的因素进行了分析,结果显示通过减小高压电极倾斜角度,减小绝缘子材料的介电常数,并采取合适的绝缘子外形, 可减小微粒受到的向上的静电力和微粒受到的指向绝缘子方向的水平静电力,从而可以减小微粒浮起和附着于绝缘子表面的概率。

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。

均匀电场作用下绝缘材料表面流注发展研究综述

绝缘子沿面闪络是输电线路设计和运行中面临的重要问题。流注的产生和发展是绝缘发生先导和闪络前的重要阶段,研究绝缘材料表面流注产生和传播对输电线路绝缘的设计和优化有很重要的意义。绝缘材料流注发展研究采用的实验装置是"三电极"结构,两个极板平行放置用以产生均匀电场,绝缘材料垂直放置在两极板之间,与下极板绝缘的针尖通以脉冲电压产生流注放电,均匀电场中流注的发展很少分叉,可以忽略空间电荷的影响。基于此,综述了绝缘材料表面流注发展的研究现状,介绍了绝缘材料性能、材料外形、外加电场、外加脉冲电压幅值等因素对绝缘表面流注发展的影响,总结了近年来绝缘材料表面流注发展所取得的成果,也提出了研究中尚不能合理解释的现象以及有待深入研究的问题。

稍不均匀电场空气间隙击穿电压计算的新方法

空气间隙的击穿电压是高压输变电工程外绝缘设计的重要依据,而电场分布均匀性是间隙击穿电压的主要影响因素之一。为此,提出了一种基于电场分布特征参数和支持向量机的空气间隙击穿电压计算新方法。采用该方法对球隙和球–板间隙2种稍不均匀电场空气间隙的击穿电压进行了计算,并与基于流注起始判据的计算结果和试验结果进行了对比。以试验结果为基准值,提出的方法对球隙和球-板间隙击穿电压计算结果的平均绝对百分比误差分别为1.64%和1.62%;而流注起始判据计算结果的平均绝对百分比误差分别为1.03%和5.26%。为获得精确的计算结果,随着电场分布不均匀性的增大,流注起始判据中的临界电荷数需进行修正,而这缺乏具有普适性的修正方法。提出的方法为输变电工程间隙击穿电压的获取提供了一条可能的新途径。

非均匀和均匀电场下液滴的形变及运动行为

电场作用下液滴形变及运动行为是电脱水机理研究的重要内容,为了研究不同电场类型下液滴的运动特性,基于相场方法建立了液滴在均匀与非均匀电场下的仿真模型,研究了油中液滴在形变、位移过程中电荷密度和电场力的分布以及液滴的聚结情况,通过实验观测分析了液滴在均匀场与非均匀场中的形变以及运动行为。研究结果表明,液滴在非均匀场中不仅发生如同在均匀场中的形变,而且会在介电泳力作用下向电场集中区域发生移动;液滴表面极化出的电荷密度以及其所受到Maxwell应力从液滴中部向两端逐渐增大,在均匀电场中对称分布在液滴两端,而在非均匀电场中靠近电场集中区域的电荷密度和Maxwell应力最大;在一定范围内提高电场强度,液滴在非均匀电场中的接触机率比均匀场中的大,受到的偶极吸引力增大,使液滴间的聚结速度大于均匀电场中的聚结速度,但过高的电场强度容易使液滴破裂。

雷电冲击下稍不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同效应

近年来,在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始使用低SF6体积分数的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,但对这种混合气体的协同效应相关研究还不多。为此,在稍不均匀电场、正负2种极性雷电冲击(LI)下,研究了较低SF6体积分数的SF6/N2混合气体的击穿特性及协同效应受电压极性和气压的影响。结果表明:在较低气压和负极性雷电冲击下的击穿电压高于正极性;当气压超过某一临界值后,正极性下的击穿电压将高于负极性。引入协同效应系数对混合气体的协同效应进行了分析,发现:负极性雷电冲击下协同效应系数<0.1,且受气压影响不明显;正极性下的协同效应相对较弱,但随着气压升高协同效应增强。