金属丝电爆炸的电流波形特征及其破岩效果研究

为研究不同电压下金属丝电爆炸的电流波形特征及破岩效果,基于高压脉冲放电系统开展了金属直丝在空气和红砂岩介质中的电爆炸试验研究。通过比较不同电压下金属丝在空气和岩石中电流波形异同,得到了金属丝在空气和岩石中电流峰值随电压变化的规律,结合金属丝电爆炸破碎红砂岩试验结果,进一步分析了红砂岩在不同高压脉冲载荷作用下的裂纹扩展模式与碎块分布特征。试验结果表明,空气和岩石中的金属丝电爆炸电流峰值与放电电压均呈线性增加关系,在岩石介质约束作用下,岩石中金属丝电爆炸电流峰值和震荡时间均低于空气介质;金属丝电爆炸产生的冲击波使岩石孔壁质点沿径向运动从而产生切向拉应力,形成了以金属丝为中心、径向裂纹为主导的裂纹扩展模式;放电电压对岩石的破碎效果具有显著影响,放电电压由40 kV增加至80 kV,主裂纹数量由一条增加至多条,岩石的破碎程度明显增加且碎块块度分布更加集中。试验成果为高压脉冲放电技术破碎岩石等固体材料的应用与研究提供参考。

水中液态金属丝电爆炸特性

水中金属丝电爆炸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。但是,金属丝电爆炸是在电极间预置金属丝,需要附加换丝机构,存在重频运行困难问题。该文提出一种基于镓铟锡液态金属的换丝方法,该方法利用液态金属自身的流动性,能够在低电压控制下快速、稳定地在放电电极间成丝。在相同的放电模式下改变电压完成多次放电,并测量放电过程中丝端电压、回路电流,计算回路参数以及能量;根据实验数据建立仿真模型,分析击穿时延击穿时刻电阻分别作为单一变量的能量转换特性。仿真与实验结果表明,镓铟锡液态金属丝放电相态变化过程与普通金属丝相比存在差异;电容初始充电电压越高,液态金属丝击穿时刻电阻越大,放电击穿时延越短,能量转换效率越高。该研究对水下液态金属丝放电特性的研究以及完善金属丝电爆炸技术在工业中的应用具有一定参考意义。

纯水和液氮中金属丝电爆炸与等离子体气泡特性实验研究

金属丝电爆炸能有效地将电能转化为机械能(冲击波和等离子体气泡),在化石能源开发等领域取得了成功应用。为明确不同液体中金属丝电爆炸等离子体气泡行为,搭建可变环境金属丝电爆炸实验平台与诊断系统,通过改变电容充电电压,获得不同储能下kA量级和μs时间尺度的脉冲电流,驱动直径为50μm的铜丝电爆炸。通过测量负载电压、回路电流以及拍摄高速阴影图像,对放电瞬态过程进行诊断和分析。结果表明:不同系统储能或负载规格下,液体中金属丝电爆炸存在非周期型放电、周期型放电以及电流暂停放电3种模式;与纯水(蒸馏水)介质相比,液氮中电爆炸具有更高的电压峰值(平均高约6%)、功率峰值(平均高约14%)。纯水中等离子体气泡脉动过程受系统储能和负载规格影响,系统储能从2 J增大至10 J时,气泡最大径向半径从约9.4 mm增大至约18.6 mm,第一脉动周期从约1.6 ms增长至约2.6 ms,气泡能量从约0.4 J增大至约2.3 J,气泡能量效率相对稳定,为18%~25%;相同储能下增加金属丝长度,最大径向半径逐渐缩短。储能2.5 J下,液氮气泡第一脉动周期比纯水中长约0.6 ms,最大径向半径约为纯水中气泡的1.17倍,在气泡收缩阶段,液氮气泡收缩速度慢,最小收缩半径约为纯水中气泡的1.53倍。

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。

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。

水中金属丝电爆炸冲击波一维数值模拟

为了明确水中金属丝电爆炸冲击波的形成机理,基于经典活塞模型,采用相似参数法,引入双人工黏性系数,建立了水中金属丝电爆炸冲击波的一维计算模型。以等离子体放电通道边界膨胀轨迹作为模型唯一的输入参数,得到水中冲击波传播的时间与空间的分布规律,通过与其他文献实验结果的对比,验证了该计算方法的有效性。模拟结果表明,双人工黏性系数法使计算得到的冲击波更符合实际情况。爆炸初始时刻,等离子体放电通道边界膨胀压缩周围水介质产生的冲击波高达GPa级,冲击波压强峰值与径向传播距离的-0.70次幂成正比关系。文中采用的计算方法既不涉及脉冲放电过程以及复杂的放电等离子体物理变化过程,也不涉及放电通道与水的物理化学作用过程,只需根据诊断实验得到放电通道边界膨胀轨迹,即可模拟水中金属丝电爆炸冲击波的产生与传播过程,对工程实践具有重要的指导意义。

真空及空气中金属丝电爆炸特性研究

开展了铝丝在真空和空气环境中的电爆炸特性研究.从金属丝电爆炸的电压、电流波形得到了金属丝内的沉积能量,并基于以上电参数特征分析了电爆炸产物的状态,获得了空气中铝丝电爆炸电流暂停时间随初级储能电容充电电压的变化规律.真空和空气中铝丝电爆炸在电压击穿时刻的沉积能量分别为2.8和6 eV/atom.采用波长为532 nm、亚纳秒激光探针对金属丝电爆炸物理过程开展了高时空分辨率的阴影和纹影诊断.阴影图像清晰地展示了不同气氛环境中高密度电爆炸产物的膨胀过程,根据光学诊断图像分析了高密度丝核沉积能量的结构和空气中铝丝电爆炸产生的激波的膨胀轨迹.真空和空气环境中高密度电爆炸产物的平均膨胀速度分别为1.9和3 km/s.基于实验数据和输运参数模型,估算了金属丝在电压击穿时刻的温度.

超长金属丝电爆炸等离子体的轴向光辐射均匀性

利用金属丝电爆炸等离子体辐射强脉冲闪光驱动光敏炸药起爆,是开展强脉冲X射线热-力学效应研究的理想模拟加载方法之一,其关键问题是超长金属丝电爆炸的轴向光辐射均匀性。基于数字图像处理技术,建立了金属丝电爆炸等离子体光辐射均匀性定量化表征方法,分析了金属丝电爆炸沉积能量、金属丝材质和金属丝线质量密度分布等参数对其光辐射均匀性的影响规律。研究结果表明:沉积能量是影响金属丝电爆炸过程中光辐射均匀性的主要影响因素之一,在高脉冲功率源储能下,金属丝加载脉冲电流幅值高、上升时间快,其快速地沉积能量和欧姆加热过程有效提高了光辐射均匀性;其次,在欧姆加热阶段,难熔金属丝比易熔金属丝在电爆炸过程中更易获得均匀的轴向光辐射;最后,金属丝的线质量密度分布也会影响其光辐射均匀性,在质量密度不均匀处易形成较早的局部电爆炸,并产生强闪光点发射。

金属丝电爆炸现象研究综述

金属丝在快脉冲电流驱动下,受到欧姆焦耳加热作用发生电爆炸现象,并呈现出复杂的物理和化学效应,已广泛应用于工农业生产、新材料制备和核聚变等方面。文中综述了金属丝电爆炸现象的研究历史和应用情况,分析了金属丝在不同电流作用下的物理现象和规律,提出了一种金属丝电爆炸现象的分类方法,即以金属丝注入能量快慢的不同,将金属丝电爆炸现象分为欠热电爆炸和过热电爆炸现象,在过热电爆炸现象中,根据产生的电爆炸等离子体温度的不同,分为高温等离子体和低温等离子体,该类低温等离子体在不同的介质环境中具有不同的应用特点;分析了金属丝电爆炸现象的研究现状,即金属丝电爆炸等离子体的参数诊断方法以及相关数值模拟方法,讨论了金属丝电爆炸现象研究的难点、热点问题和下一步发展方向。

气氛中金属丝电爆炸特性及其在纳米粉体制备中的应用进展

总结了气体环境中金属丝电爆炸的电流电压波形特征,分析了电爆炸过程中的演化图像和等离子体参数;讨论了纳米颗粒的形成机理,归纳了金属丝电爆炸在制备合金纳米颗粒、金属化合物纳米颗粒的研究;并介绍了基于金属丝电爆炸法的纳米粉体量产装置的进展,最后指出研究面临的挑战和未来发展方向,需要进一步建立金属丝电爆炸特性的高通量数据库,加强对合金纳米颗粒形成机理的研究,并且优化电爆炸法纳米粉体生产装置的工艺参数。

真空中金属丝电爆炸数值模拟研究

利用金属丝电爆炸物理数学模型对电爆炸物理过程开展了数值模拟,研究了不同直径铝丝电爆炸特性,进一步分析了金属丝内沉积能量、电压击穿时刻、电压峰值随金属丝直径的变化规律,并与相关实验数据作了对比。

空气中不同金属丝电爆炸的光辐射特性

金属丝电爆炸过程伴随明显光辐射现象,该现象蕴含大量信息,为此研究了空气中铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、铜(Cu)、钼(Mo)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)8种材质的金属丝以及石墨芯C在亚微秒与微秒尺度脉冲电流作用下电爆炸的光辐射特性。搭建了金属丝电爆炸实验平台与诊断系统。在系统储能500 J的情况下,将上升沿约为45 A/ns与5 A/ns的脉冲电流分别施加在长1 cm、直径200μm的金属丝/石墨芯负载上,并测量负载电压、回路电流、光强与时间积分光谱。实验结果表明,光电管可响应的光辐射起始于负载阻性电压下降时刻,并随着放电过程结束逐渐达到最大值,发光过程持续时间>300μs。从幅值来看,Ti丝电爆炸具有最强的光辐射,在5 A/ns脉冲电流作用时幅值为Cu丝的3倍。非难熔金属Al、Cu、Ag具有相似的光辐射特性,包括相似的光强–时间曲线以及具有明显线状谱的时间积分光谱;难熔金属Mo、Ta、W具有相似的光强–时间曲线且积分光谱以连续谱为主;石墨芯与难熔金属具有相似的光强–时间曲线,积分光谱却存在明显的线状谱。此外,金属丝电爆炸光辐射能量在250~380nm的波段具有较强的分量,比例最高为Cu丝,可达42.9%。不同材质金属丝电爆炸的光辐射具有很大差异,可以推测其等离子体通道温度、密度、电离度等参数存在较大差异。

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阐述,并从理论与实验角度提出了现阶段面临的科学问题与技术难点;应用研究方面简述了液体中丝爆在石化能源开发、物性研究装置、纳米材料制备等方面的应用与工程实践,给出了当前电爆炸冲击波技术在应用中亟待解决的瓶颈问题和方向。最后,归纳提出了该技术的发展趋势和路线图。

水中金属丝电爆炸拉氏磁流体动力学模拟方法

基于拉格朗日描述,建立了水中金属丝电爆炸的单温磁流体动力学模型,并给出一种高阶混合有限元离散求解方法。拉氏可压缩流体方程组中,速度定义在H1连续有限元空间,内能定义在L2间断有限元空间实现物质界面的精确捕捉,存在激波的区域引入张量人工粘性抑制数值振荡。磁扩散方程仅考虑周向磁通量密度,简化为标量方程,使用H1连续有限元方法离散求解。焦耳热和洛伦兹力作为源项引入实现磁流体方程的耦合。数值算例表明:磁扩散求解器能够求解存在不同电导率的多介质磁扩散问题;拉氏流体求解器能够精确追踪物质界面,具有较好的激波分辨能力;耦合RLC电路的磁流体求解器能够复现水中金属丝电爆炸加热相变、冲击波的产生与传播、放电模式转变等物理过程。

空气中并联金属丝阵列电爆炸等离子体自辐射特性

在空气中开展了平面丝阵的电爆炸实验,对比研究了非难熔金属铜丝阵列和难熔金属钽丝阵列在电爆炸过程中的能量沉积特性,重点分析了其等离子体通道演化过程及光辐射特性。实验结果表明,随着铜丝阵列或钽丝阵列根数(质量)的增加,丝阵列在电压峰值前沉积的能量会有所增加且总体相变时间会变长。对于铜丝阵列,当其能量沉积速率较快时,电爆炸过程中的光辐射强度会随金属丝根数的增加而有所增加,但光辐射持续时间相对于单丝较短。铜丝和铜丝阵列电爆炸等离子体通道膨胀过程较快,放电中心通道内的加热和电离过程不够集中。当铜丝根数增加时,放电过程中各丝之间的相变时刻不够同步,放电等离子体通道发展极不均匀。对于钽丝阵列,在储能一定的条件下,随着钽丝阵列根数(质量)的增加,其光辐射强度会有所下降。钽丝和钽丝阵列在相变过程中的气液混合通道能够被加热到较高的温度,放电通道内热电离过程显著,等离子体通道易于发展,但放电通道膨胀速率要明显慢于铜丝。丝阵列放电过程中各丝之间相变时刻的不同步会影响电流的分布,进而导致各丝之间的能量沉积过程不同,使得丝阵列中各丝等离子体通道的建立过程不同步。

给定储能下水中金属丝阵电爆炸冲击波增强的方法

为了解决"总质量上限"对水中丝阵电爆炸冲击波的制约,提出了两种新型丝阵构型,"分裂丝"并联丝阵和"串–并联丝"丝阵。实验发现"分裂丝"丝阵电爆炸冲击波随着"分裂丝"数量增多而显著提高,在200 J的初始储能下,从直径0.2 mm单丝的25 MPa提高到直径0.05 mm 16丝的91 MPa。借助"分流支路"成功分离了"分裂丝"丝阵中的单丝冲击波,发现其幅值正比于丝的直径,并且各单丝冲击波在丝阵轴线处满足线性叠加的汇聚规律。根据上述实验结果给出了N根等直径"分裂丝"丝阵冲击波计算式。实验还发现"串联丝"丝阵有助于突破原先"并联丝"丝阵的"总质量上限",但"串联丝"丝阵不一定总是优于"并联丝"丝阵,当初始储能足够高以至于沉积能量足以使丝阵汽化的前提下,高沉积功率才是产生强冲击波的决定因素。因此,"串–并联丝"丝阵可能是最佳的选择,并给出了"串–并联丝"丝阵的优化设计方法。

电爆炸过程中金属丝阻抗的变化

为了掌握金属丝阻抗的变化规律,通过分压器和罗氏线圈分别测量出电爆炸过程中金属丝上的电压和电流,并由此计算出金属丝阻抗等相关电参数随时间变化的规律;采用F.D.Bennett和A.Hobson模型对金属丝阻抗进行了数值模拟,得到金属丝阻抗随时间的变化规律。实验结果和模拟结果的比较表明:两个模型的模拟结果均在金属丝气化前和部分初始放电电压下有效;当放电时电容器初始电压较大时,能量沉积速度更快,金属丝液化、气化、完全气化所用的时间更短;在金属丝爆炸过程中,金属丝阻抗存在一个最大值。

单金属丝电爆炸实验系统研究

概述了实验系统设计的原则，依此研制了小型脉冲功率系统，得到了金属丝电爆炸的实验结果。

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。

氩气中铝丝电爆炸沉积能量对制备铝纳米粉体特性的影响

研制了基于脉冲电容器放电回路的亚微秒金属丝电爆炸纳米粉体制备实验平台,包括电爆炸过程电流和电压测量系统。利用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形态与结构,并通过电镜统计观察法分析TEM图像得到纳米粉体的粒度大小及其分布。在氩气中电爆炸铝丝制备铝纳米粉体,通过改变电容器充电电压,即初始储能,实验研究沉积能量对铝纳米粉体特性的影响规律。结果表明:铝纳米粉体颗粒形态与结构主要由氩气气压的高低决定,与沉积能量基本无关。增大丝爆过程的沉积能量可显著缩小铝纳米粉体粒度分布范围,减小颗粒平均粒径,并有效地抑制纳米粉体中亚微米颗粒的形成。随着沉积能量E与氩气气压p比值(Ep^(-1))增大,铝纳米粉体颗粒平均粒径、最大粒径和粒径大于100nm颗粒所占比例均呈指数函数单调减小。