CN107576843B - 一种高静压下液电脉冲激波强度的获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高静压下液电脉冲激波强度的获取方法；液电脉冲激波发射器通过脉冲电容器向液体间隙放电，通过电弧、空腔的快速膨胀向外辐射激波。液电脉冲激波发射器一般工作在深海或深地环境，其周围静压随着工作深度的增加而增大。放电过程受到静压的影响使得激波强度与常压下的激波强度有较大差异。本发明提出通过将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段，利用预击穿时延随静压的变化关系计算预击穿过程中的能量损耗；基于流体力学方程考虑静压对液体密度、激波传播速度及空腔膨胀速率的影响，计算不同静压下电弧通道的能量沉积，反演出主放电过程中电能向机械能的转换效率；进而综合两个过程，获得激波强度随静压的变化关系。
Description
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强度的获取方法。
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。液电脉冲激波特性与液体电介质的击穿放电过程密切相关，涉及到复杂的物理、化学环节，受电极参数、液体性质、外回路参数、静压等多个因素的影响。其中静压对液体脉冲激波特性的影响主要表现在两个方面：一是静压会影响液体电介质流注起始及发展过程，进而影响预击穿过程中的能量损耗；二是静压会影响等离子体通道及空腔的膨胀速率、激波的传播速率，进而影响激波的强度及作用效果。
目前通过试验手段对高静压条件(液体静压力大于0.1MPa)的液电脉冲激波强度进行测量存在一定困难，而常压下的激波强度获取比较容易，如何通过常压下的激波强度反演高静压下的激波强度变化是工程应用时需解决的一个难题，目前缺乏成熟的分析手段。
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强度的获取方法，旨在解决现有技术中通过试验手段对高静压条件下液电脉冲激波强度进行测量存在技术困难的问题。
本发明提供了一种高静压下液电脉冲激波强度的获取方法，包括：
(1)将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段；
(2)利用预击穿时延随静压的变化关系获得击穿时刻电压，进而获得预击穿过程中的能量损耗；
(3)根据注入到电弧通道的能量和击穿时刻能量获得主放电过程中的能量沉积效率；
(4)根据液电脉冲激波机械能和注入电弧通道的总能量获得电能转化为机械能的效率；
(5)根据液体密度、激波传播速率、空腔膨胀速率随静压力的变化关系获得激波传播过程中激波随静压的变化关系；
(6)根据预击穿过程中的能量损耗、主放电过程中的能量沉积效率、电能转化为机械能的效率和激波传播过程中激波随静压力的变化关系获得激波强度随静压力的变化关系。
更进一步地，步骤(2)中预击穿过程中的能量损耗其中，UC为电容器充电电压，C为电容器容量，Ub为击穿时刻电容器剩余电压。
更进一步地，步骤(3)中主放电过程中的能量沉积效率其中，Epl为注入到电弧通道的能量，Ebr为击穿时刻能量。
更进一步地，步骤(4)中电能转化为机械能的效率其中，Ew为电弧空腔机械能，Epl为注入电弧通道的总能量。
更进一步地，步骤(6)中激波强度随静压力的变化关系其中，lsensor为激波源与压力探头的水平距离，ρ为水的密度；cs为水中声速，p2(t)为激波强度平方，t为激波持续时间，Ew(t)为电弧空腔机械能关于激波持续时间的函数。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段，利用预击穿时延随静压的变化关系计算预击穿过程中的能量损耗，考虑静压对液体密度、激波传播速度及空腔膨胀速率的影响，计算高静压下主放电过程中电能向机械能的转换效率，进而综合两个过程的能量传递效率获得高静压条件下激波的强度。
附图说明
图1是高静压下液电脉冲激波强度的获取方法实现流程图。
图2是常压下激波产生过程的典型间隙电压、电流及激波波形图。
图3是预击穿时延随静压的变化关系图。
图4是激波强度随静压的变化关系图。
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。
本发明提出的一种高静压下液电脉冲激波强度的获取方法，主要将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段，利用预击穿时延随静压的变化关系计算预击穿过程中的能量损耗，考虑静压对液体密度、激波传播速度及空腔膨胀速率的影响，计算高静压下主放电过程中电能向机械能的转换效率，进而综合两个过程的能量传递效率获得高静压条件下激波的强度。
在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波强度的获取方法中，对应液体间隙的超音速流注和亚音速流注击穿两种模式，均可通过常压下的预击穿时延和预击穿时延随着静压的变化关系获得任意静压下的预击穿时延。
在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波强度的获取方法中，预击穿过程中能量损耗可按照电容、电阻一阶RC电路放电衰减函数近似计算，其中电容为脉冲功率电源的主电容，电阻为回路电阻和液体间隙的等效泄漏电阻，主要为等效泄漏电阻。
在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波强度的获取方法中，液体密度随静压的变化可用流体力学中的Tait方程求解，而高静压下激波传播速率可由雷诺流体力学方程求解。
在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波强度的获取方法中，主放电过程中电弧阻抗近似为一恒定值，其阻值不随高静压增长而变化，以此计算主放电过程中沉积能量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强度的获取方法中，以常压下激波强度为基准，考虑激波能量、液体密度、激波传播速率随静压的变化，从高静压下激波所含机械能反推激波强度变化。
在本发明实施例提供的高静压下液电脉冲激波强度的获取方法中，综合预击穿阶段与主放电阶段的能量传递效率，获得不同静压下的激波强度。
本发明通过分析静压力对放电过程的影响，利用常压下的激波强度即可推断高静压下的激波强度变化特性，有效解决了通过试验手段对高静压条件下液电脉冲激波强度进行测量的技术困难，为深海、深井等高静压条件下的工程应用研究提供了新的分析手段。
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强度的获取方法，现结合附图和具体实例详述如下：
利用预击穿时延随静压的变化关系计算预击穿过程中的能量损耗，考虑静压对液体密度、激波传播速度及空腔膨胀速率的影响，计算高静压下主放电过程中电能向机械能的转换效率，进而综合两个过程的能量传递效率获得高静压小激波的强度。
本实施例中脉冲电源中的主电容为3μF，工作电压为30kV，回路电感为6.45μH，回路电阻为0.8Ω。液电间隙采用针-板电极，其中针电极的尖端直径为1.5mm，间隙距离为10mm，工作液体采用普通自来水。将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段。
图1所示为高静压下液电脉冲激波强度的获取方法的实现流程。步骤一：将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段；步骤二：利用预击穿时延随静压的变化关系计算预击穿过程中的能量损耗；步骤三：计算主放电过程中的能量沉积效率；步骤四：计算电能转化为机械能的效率；步骤五：考虑液体密度、激波传播速率、空腔膨胀速率随静压力的变化关系计算激波传播过程中激波随静压的变化规律；步骤六：得到激波强度随静压力的变化关系。
根据图2中典型放电波形可知，预击穿过程中放电间隙间存在幅值约为0.83kA的泄露电流，击穿时刻间隙剩余电压约为29.43kV。预击穿过程中的泄漏电阻值约为103.7Ω。
根据一阶RC电路衰减函数，预击穿过程中任意时刻电容器上的电压可表示为：式中，U为预击穿过程中任意时刻电容器上的电压，UC代表电容器充电电压，C代表电容器容量。则整个预击穿过程中电容器的能量损耗可表示为：式中，△E代表预击穿过程中的能量损耗，Ub代表击穿时刻电压。
图3所示为液体间隙工作在超音速流注击穿模式下，液体间隙预击穿时延随静压的变化关系。根据不同静压下的预击穿时延，考虑液体间隙泄漏电阻为一常数，可得到在不同静压下预击穿过程中的能量损耗△E。本实施例中，当静水压从0.1MPa增加至50MPa期间，预击穿过程中的能量损耗增加了约36％。
由于注入到水间隙的能量一部分以光、热辐射方式消耗，另一部分转化为等离子体通道内能以及通道膨胀产生的机械能。主放电过程中主放电电流可表示为：其中， 考虑主放电阶段的电弧电阻为一常数，通过常压下的主放电电流波形拟合可得电弧的等效电阻约为0.2Ω。以电弧阻抗与瞬时电流平方的乘积的积分计算沉积到电弧通道的能量式中，Epl为注入到电弧通道的能量，Rpl为电弧通道电阻，L为主放电回路电感，U0为主放电过程初始电压，ω为角频率，τ为时间常数。主放电过程中电弧能量沉积效率Ebr为击穿时刻能量。
如图2所示的常压下激波典型波形，激波探头与液电间隙的水平距离为17cm，可计算得到电弧空腔机械能关于激波持续时间的函数式中，lsensor为激波源与压力探头的水平距离；ρ为水的密度；cs为水中声速，常压下取为1500m/s。其中水的密度ρ以及水中声速cs会随着静压的改变而发生改变；预击穿过程中的能量损耗、主放电过程中的能量沉积效率和电能转化为机械能的效率会影响公式(8)中的Ew(t)；具体地，可以通过计算出预击穿过程中的能量损耗△E，进而可以得到主放电过程初始电压U0，进而求出主放电过程中沉积到电弧通道中的能量Epl，另一方面，通过计算出预击穿过程中的能量损耗△E亦可求得主放电过程中的击穿时刻能量Ebr，进而得到主放电过程中电弧能量沉积效率η1；根据电弧空腔机械能关于激波持续时间的函数可以计算得到液电脉冲激波的机械能Ew，结合电弧通道沉积的能量Epl可以得到注入电弧通道的总能量转化为液电脉冲激波机械能的效率η2；由于在主放电过程中的转化效率仅与电极设置有关，不随静压力的变化而改变，因此，当电极设置一定时，可以根据该转化效率η1、η2，结合不同静压力下的主放电过程中的击穿时刻能量Ebr，求得不同静压力下的液电脉冲激波机械能Ew。
由此得到注入电弧通道的总能量Epl转换为液电脉冲激波机械能Ew的效率本实施例中，注入电弧通道的总能量Epl转换为液电脉冲激波机械能Ew的效率约为2.98％。
在高静压下水的密度将发生改变，因此，对于高静压下的水介质，要反映出不同静压下的水的密度差别，必须采用反映基本热力学性质的物态方程来描述水密度的变化规律。其密度与体积、静压的关系可用Tait公式表示为：式中，p为液体压强，ρ为水的密度，水的平均体积模量B＝2×109Pa。当静压变化时，液体密度变化可表示为：本实施例中，当静水压从0.1MPa增加至50MPa期间，水的密度增加了2.5％。
在流体介质中，激波为弹性纵波，结合雷诺流体力学方程，其传播速度可表示为：式中，ρ为密度，β为绝热压缩系数。ρ和β都是温度T、盐度S、静压力P的函数，而在自来水中，其简单经验公式可表示为：c(P，t)＝1402.7+488t-482t2+135t3+(15.9+2.8t+2.4t2)P×10-2(m/s)……(13)，式中，t＝T×10-2，T为温度(℃)，0≤T≤100℃，0＜P≤200bar(1bar＝105Pa＝0.1MPa)。本实施例中，当静压力增加到50MPa时，水中速度提高了5.58％。
当高静压下电弧通道沉积能量转化为机械能的效率与常压下相同，则根据式(8)，考虑液体密度、激波速率随静压的变化关系可得到主放电阶段激波强度随静压的变化关系。
综合考虑预击穿阶段与主放电阶段的能量传递过程，可得到高静压下激波强度，如图4所示。本实施例中，当静压力从0.1MPa增加至50MPa期间，空腔机械能下降了约2.4％，水的密度增加了约2.5％，水中速度提高了5.58％，激波强度下降了约6％。
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 (5)
1.一种高静压下液电脉冲激波强度的获取方法，其特征在于，包括：
(1)将激波产生过程分为预击穿过程和主放电过程两个阶段；
(2)利用预击穿时延随静压的变化关系获得击穿时刻电压，进而获得预击穿过程中的能量损耗；
(3)根据注入到电弧通道的能量和击穿时刻能量获得主放电过程中的能量沉积效率；
(4)根据液电脉冲激波机械能和注入电弧通道的总能量获得电能转化为机械能的效率；
(5)根据液体密度、激波传播速率、空腔膨胀速率随静压力的变化关系获得激波传播过程中激波随静压的变化关系；
(6)根据预击穿过程中的能量损耗、主放电过程中的能量沉积效率、电能转化为机械能的效率和激波传播过程中激波随静压力的变化关系获得激波强度随静压力的变化关系。
2.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，步骤(2)中预击穿过程中的能量损耗其中，UC为电容器充电电压，C为电容器容量，Ub为击穿时刻电容器剩余电压。
3.如权利要求1或2所述的获取方法，其特征在于，步骤(3)中主放电过程中的能量沉积效率其中，Epl为注入到电弧通道的能量，Ebr为击穿时刻能量。
4.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，步骤(4)中电能转化为机械能的效率其中，Ew为电弧空腔机械能，Epl为注入电弧通道的总能量。
5.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，步骤(6)中激波强度随静压力的变化关系其中，lsensor为激波源与压力探头的水平距离，ρ为水的密度；cs为水中声速，p2(t)为激波强度平方，t为激波持续时间，Ew(t)为电弧空腔机械能关于激波持续时间的函数。
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