基于Kriging模型的水中放电沉积能量优化分析

水中脉冲放电过程较为复杂,放电参数与放电沉积能量之间没有明确的函数关系。为了获得最佳沉积能量,明晰不同放电参数相互作用对沉积能量的影响,获得最佳放电参数组合,本文搭建了水中高压脉冲放电实验平台,结合Kriging代理模型探究了电压、电极间距和电导率三种放电参数对水中放电沉积能量的影响;利用遗传算法进行全局寻优,确定了最佳放电参数组合。研究结果表明:通过交叉验证评估该模型的均方根误差为6.95%,满足精度要求;外加电压一定时,在电极间距和电导率的协同作用下,沉积能量的变化呈现多峰值特性;在电压、电极间距和电导率分别为17 kV、2.28 mm和0.8 mS/cm的条件下产生的沉积能量最大,为最佳参数组合;通过实验验证了在最佳点的预测值和实际值相对偏差在8%以内。

水中放电等离子体状态方程的理论研究

水中放电等离子体通道内温度达 2× 10 4 ～ 5× 10 4 K、而压力达 1～ 10GPa。在这样的参数下 ,等离子体的状态方程已不能用理想气体状态方程来描述。首次考虑了粒子间的相互作用对水中放电等离子体参数下粒子电离能的影响 ,计算了电子的简并性、带电粒子间的库仑相互作用、原子内部能级扰动所产生的压力。计算结果表明 :当H、O原子和离子的总密度n =10 2 9m- 3时 ,若考虑电离能漂移 ,则电子密度提高的最大幅度达 70 % ;电子的简并性对压力的影响很小 ;粒子间的库仑相互作用在高温区使总压减小较显著 ,但在所计算的参数范围内 ,其幅值也不大于 10 % ;当n =10 2 9m- 3、T≈ 2× 10 4 K时 ,原子内部能级的扰动使总压增大约 30 %。

水中放电等离子体特性的理论研究

水中放电等离子体 ( PPDW)具有高压、高密度和低温、低电离度的特点 ,人们对其辐射是否具有黑体辐射的特点一直观点不一 .本文计算了当通道压力为1 0 6Pa、1 0 8Pa、1 0 9Pa,温度从 30 0 0 K到 60 0 0 0 K时 PPDW的弹性、非弹性碰撞特征时间及辐射平均自由程 .计算结果表明 ,当通道压力为 1 0 6Pa时 ,通道辐射在所计算的温度范围内不能看作黑体辐射 .当通道压力为 1 0 8Pa时 ,通道辐射在温度从 1 60 0 0 K到 350 0 0 K范围内可看作黑体辐射 .通道压力达 1 0 9Pa时 ,通道辐射在 1 2 0 0 0 K以上均可看作黑体辐射 .文中还对通道电导率与其自身磁场的关系作了数值分析 ,结果表明只有在很低的温度和通道压力情况下才必须考虑自身磁场的影响 。

水中放电的光谱测量实验研究

目前用臭氧处理污水、VOCS的应用研究发展很快，而通过对污水施加高压脉冲使之发生放电，产生大量具有高活性的粒子来处理污水的方法是目前处理污水领域新的探索。通过测量放电产生的OH基的放射频谱研究了水中放电处理污水的电化学机理，由于气体的介电常数很小（ε=1），易引起局部放电，有利于增加放电中产生高活性粒子的数目，提高处理效率，实验中采用在水中通以氮气和其它惰性气体等方法。实验发现，OH基的粒子数目随电压的升高和气体流速的增加而增多。当气体流速为0．2～0．5L／min时，OH基的放射频谱与施加电压的峰值成线性函数关系。

水中放电等离子体辐射特性研究

在考虑电离能修正情况下 ,对水中放电等离子体 (PPDW )辐射特性作了分析 .结果表明 ,当通道压力为1MPa时 ,PPDW辐射不能看作黑体辐射 .当通道压力为 0 .1GPa、温度在 16 0 0 0～ 35 0 0 0K时 ,PPDW满足黑体辐射的两个条件 ,其辐射可看作是黑体辐射 .若通道压力达 1GPa ,则在 110 0 0～ 6 0 0 0 0K范围内其辐射都可看作黑体辐射 .

双路大电流源模块水中放电实验研究

高压电脉冲压裂技术是基于"液电效应",通过水中脉冲放电产生强大的冲击波使岩石产生裂缝,近年来成为了岩石压裂领域的热点研究对象。搭建了两路电流源模块应用于水中放电,采用铜材料的针针电极,电极间距1mm;研究了在不同放电电压下,单路和两路电流源模块电极间的电压、电流波形。实验结果表明,空载时在同一放电电压下,双路模块产生更大的放电电流,从而在放电时获得更高的瞬时功率;而在水中针针放电时,单路和双路模块水间隙的预击穿时间与放电电压之间具有很大的随机性。单路模块预击穿时间的标准差最小为0.285ms,最大为1.481ms;而双路模块最小为0.369ms,最大为0.703ms。并且随着放电电压的增加,预击穿时间减小,双路模块的预击穿平均时间从放电电压为1300V时的2.686ms降到1800V时的1.036ms。

水中放电预加热过程的数值模拟研究

为研究水中放电预加热过程,设计并搭建了一套水中脉冲放电系统。该系统储能电容最高充电电压10 kV,最高储能5 kJ。通过放电实验获取了水间隙从预加热至主放电过程的电压、电流波形。通过数值模拟获取了预加热阶段水中温度场、电场、电流密度场、耗散热量的空间分布,以及预加热阶段水间隙的电压波形,该电压波形与实验波形相符。通过数值模拟还分析了水介质电导率、放电间距大小、电极形状等因素对预加热阶段的影响。在实验条件下预加热过程约为毫秒量级,增加水的电导率、减小水间隙和增加电场不均匀程度,均能加快预加热过程,并发现水中最先汽化的位置为阳极尖端处,这对后续的流注起始的研究提供了参考。

水中脉冲放电振荡特性分析及抑制方法研究

水中脉冲功率放电过程中产生的电路振荡,会延长放电时间,降低储能电容寿命。为了对电路振荡进行抑制,首先根据脉冲功率放电装置工作环境,利用COMSOL仿真软件,建立了二维轴对称高压放电模型,模拟了11 kV下电极间隙为4 mm下的高压击穿过程,并分析了等离子通道电导率变化趋势。然后建立等离子通道二维阻抗模型,对电极上的实际放电波形进行了非线性回归分析,得到其电阻和电感分别为0.439Ω和19.8729μH。最后根据负载特性提出了用脉冲功率晶闸管来抑制电路振荡的策略,并进行了脉冲功率放电实验。实验表明,通过理论阻抗计算得到的电极电压与实际放电电压相符合,且使用晶闸管脉冲功率开关可有效地抑制电路振荡,使振荡时间由220μs降低到36μs,降低了83.6%。

基于扩展卡尔曼滤波的水中放电阶段辨识方法

水中脉冲放电的电弧通道发育具有强随机性,难以固定时域进行放电阶段划分,故水中脉冲放电阶段的辨识方法研究极为重要。首先,该文建立了水中脉冲放电等效电路模型并阶段化分析了电阻时变特性,得到了判定放电阶段的临界参数阈值;其次,采用扩展卡尔曼滤波算法将离散电阻数据连续化,同时降低随机放电带来的噪声,从而获得辨识时变电阻模型;再次,计算辨识电阻斜率,并依据斜率变化特性及变化系数判定预击穿放电阶段和剧烈放电阶段;最后,通过水中脉冲放电观测试验平台验证了该辨识方法的有效性。结果表明,基于扩展卡尔曼滤波算法得到的水中脉冲放电电阻较试验值的方差小于1.717Ω^(2),电阻斜率方差小于1.899,故该方法可用于水中脉冲放电阶段的判定。

水下等离子体声源放电特性和声特性实测与分析

在小型消声水池中,同步测量水下等离子体脉冲声源的放电特性和声特性,实验分析研究了其在单电极和多电极下负载注入峰值功率和放电能量对声特性的影响。结果表明,在相同的电极数和间距下,直达波脉冲声源级仅与负载注入峰值功率有关,气泡脉冲声源级和气泡周期则主要受放电能量影响,多电极放电通过减小单根电极放的电能量来减小气泡脉冲声源级和气泡周期。此外,在相同的充电电压下,减小充电电容对电极数的比,可以增大直达波脉冲声源级并压制气泡脉冲;负载注入峰值功率对放电能量的比对声特性的影响也呈现出类似规律。实测及其分析结果可为进一步优化水下等离子体脉冲声源的声特性提供参考。

水中脉冲放电的压力特性研究

同时利用高速摄影仪和压力传感器研究水中高压脉冲放电的压力特性。实验发现 ,当电容器的电容为 4 .1μF ,充电电压为 10kV ,电极间隙为 7mm时 ,水中冲击波的波速为 1 5km s。通过压力传感器测得放电所产生的冲击波和气泡首次回胀时产生的冲击波在离通道 0 3m处的峰值压力分别为 1 5 5MPa和 0 5 5MPa ,模拟计算所得的峰值压力分别为 1 0MPa和 0 3 8MPa ,两者基本相符。另外 ,还根据高速摄影仪所拍摄到的等离子体通道直径的扫描照片 ,计算了在放电 3 0 μs后通道内的压力为约 4 9MPa ,通道半径和壁速分别为 4mm和180m s。

水中脉冲电晕放电的声学特性研究

为研究水中脉冲电晕放电的声学特性,由水听器测量了放电产生的压力信号,在以放电电极为圆心、电极到水听器的距离为半径的球面对压力信号积分,得到放电的声能和放电的声效率;利用快速傅立叶变换(FFT)得到同轴电极下电晕放电的频谱分布;比较尖—尖电极下电弧放电晕放电的频谱发现电晕放电声信号的主频比电弧放电的高。

水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析

针对基于Braginskii阻抗模型求解电弧通道注入能量时,与实验设置相关的放电系数求解过程复杂,且结果难以准确地反映电弧通道发展特性等问题,该文提出基于电弧通道电压、电流的水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析方法。采用“活塞”模型阐述通道快速膨胀过程及激波产生机理,提出基于电弧通道电压、电流实测数据剥离电感分量计算注入通道能量的方法,借助能量平衡方程对通道发展过程进行建模分析。与基于传统Braginskii阻抗模型的求解结果对比表明,该文提出的方法可以更准确地描述电弧通道的加速膨胀特性,为深入探究电弧通道的发展机理提供依据。

基于分形理论的水中流注放电仿真

水中流注放电的特性及流注发展机理研究对于污水处理、杀菌消毒、水下声源和高压绝缘具有重要的意义。基于分形理论,构建了考虑气泡生长过程的水中流注放电仿真模型,并仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明,随着外施电压和溶液电导率的增大,通道电荷量和流注发展速度均增大,而放电预击穿延时减小。计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验相符。

恒定磁场下水中交流电弧放电的特性

为了测量磁偏弧的电压、电流、电子密度及电子温度等参数的特性,搭建了电压电流测量系统,采用不锈钢棒状电极,在其间隙处加以磁感应强度为0、45和100mT的横向磁场,将电压升至约1500V,使电极间形成磁偏弧,测量不同条件下磁偏弧的电压和电流,同时采用光谱法对磁偏弧的光信号进行测量。结果表明:随着横向磁场的增大,电弧电压和电流增加,并在过零点处波形畸变;在光谱扫描特性中,电子激发温度和密度随着外加磁感应强度的增加而减少。以上研究结果为进一步研究水中电弧特性提供了参考。

正极性纳秒脉冲下水中流注放电仿真研究

基于场致电离机理,建立二维轴对称流体模型,仿真研究正极性纳秒脉冲电压下水中针-板电极流注放电的发展过程。得到不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间下水中流注放电的形貌、电场强度与空间电荷密度的时空分布。仿真结果表明:随着外施电压幅值升高,放电通道的电荷量和速度变大;脉冲上升沿变陡使得放电通道半径增大,对应的最大电场强度减小。仿真显示脉冲放电下水温有所升高,但放电没有明显的汽化现象。文中的研究结论有助于加深对纳秒脉冲下水中流注放电起始、发展过程的认识以及对液体电介质放电机制的理解。

水中大体积放电产生方法的研究

研究了一种脉冲电压下采用涂覆介质的球-环电极结构在水中产生多通道、辐射状、大体积流注放电的新方法.与以前方法相比,该方法能在较低电压幅值下在水中产生大体积放电.采用光学和电学手段,对流注放电通道的长度、数量、脉冲电压参数(如电压幅值和脉冲宽度)对放电的影响进行了研究.对电极介质涂覆条件下流注的产生与发展做出了理论解释.研究结果表明,水中放电的最大流注长度和通道起始点数均随脉冲电压幅值和脉冲宽度增加而增加.介质涂覆中局部电场的增强和微小缺陷的局部放电在水中形成气泡是水中流注放电起始的根本原因.

基于电致伸缩效应的水中纳秒脉冲放电起始机制

水中纳秒脉冲放电的起始阶段包含了丰富的物理过程,现有实验诊断技术在揭示数纳秒内液体中电荷输运、倍增过程方面还有不少困难,放电起始的机制尚不明确.本文建立了针板电极二维轴对称水中放电物理模型,仿真研究纳秒脉冲导致的水中电致伸缩效应、空化过程和随后的液体电离过程.结果表明,在纳秒脉冲电压作用下,电致伸缩效应可导致针尖附近数微米区域内的液体发生空化,形成大量纳米尺度的空腔;空腔在其表面电致伸缩压强的作用下膨胀,为电子提供了加速空间;高能电子可引发水分子的碰撞电离,使局域液体被快速电离.电致伸缩机制为理解水中纳秒脉冲放电的起始过程提供了新的视角.

水中脉冲放电产生过氧化氢及其影响因素

采用介质涂覆的球-筒电极结构,用以脉冲电压条件下在水中产生放电,通过比色法检测放电产生的过氧化氢,研究了不同电压脉冲幅值、脉冲宽度(储能电容的大小)、水的电导率以及脉冲频率对过氧化氢产生速率的影响,实验结果表明过氧化氢的产率随电压脉冲幅值的增大而增大。当电压脉冲幅值足够高时,水中放电由流注放电形式转换为电弧放电形式,此时过氧化氢产率也大幅提高,而在相同电压条件下,随水的电导率的增大,过氧化氢的产率减小。在相同电压下,脉冲频率的增大,导致放电平均功率增大,水中放电产生过氧化氢的浓度提高。在3.3 W功率时,120 min后水中过氧化氢浓度达到0.2 mmol/L,从而证明了所用电极结构的优越性。