ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК
№ 3 ЭНЕРГЕТИКА 2013
УДК 537.528
© 2013 г. СИЛЬНИКОВ М.В.1, КРИВОШЕЕВ С.И.2, КУЛАКОВ К.С.2, КУЛАКОВ С.Л.1
ИНИЦИИРОВАНИЕ КАНАЛА РАЗРЯДА В ВОДЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЗРЫВОМ
АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ*
Приводятся результаты исследования инициирования электрического разряда в технической воде взрывом алюминиевой фольги с различной массой и размерами. Разряд формировался в камере с подвижной стенкой (поршнем). В качестве накопителя электрической энергии использовалась конденсаторная батарея емкостью С = 200^600 мкФ с зарядным напряжением и0 = 2^5 кВ (запасаемая энергия — Q0 = = 0,4^7,5 кДж) и скоростью нарастания разрядного тока = (3^4) • 109 А/с.
Результаты экспериментов показали, что разрушение (потеря проводимости) фольги происходит при величине интеграла плотности тока к = (0,3^0,65) • 109 (А2/см4)/сек. Стадия повторного пробоя в электрическом разряде реализуется при достижении величиной напряженности электрического поля вдоль разрядного канала значений Епр > 50 В/мм.
Определены геометрические размеры и масса инициирующего проводника, обеспечивающие максимальный КПД преобразования величины Q0 в кинетическую энергию поршня.
Электрический разряд в воде [1—4] применяется во многих областях науки и техники, связанных с использованием импульсов высокого и сверхвысокого давления (гидроакустика, разрушение материалов, электрогидроимпульсная штамповка и т.д.). Основным фактором, обуславливающим возникновение импульса давления при разряде в воде, является высокая плотность энергии (и> = 10и^1013 Дж/м3) в канале разряда (КР). При этом температура КР достигает величины Т = (1—5) • 104 К, а концентрация ионизированных частиц п = 1026^1028 м-3. Достижение столь высоких плотностей энергии возможно за счет различия в характерной длительности процессов ввода электрической энергии в КР (? < 10—4 сек) и его гидродинамического расширения (? > 10—3 сек) [5].
Формирование канала разряда в конденсированной среде требует наличия в разрядном промежутке напряженности электрического поля Екр > 3,6 кВ/мм, достаточной для его электрического пробоя [6]. Неопределенность пространственной локализации КР и его низкое сопротивление затрудняют оптимизацию эффективности передачи энергии в КР и могут привести к существенно более высоким требованиям к источнику энергии [7]. Применение для формирования КР металлического проводника, взрывающегося под действием электрического тока [2, 8], — инициирующего проводника (ИП), позволяет снизить амплитуду импульса напряжения, формирующего КР, осуществить его пространственную локализацию, согласовать величины сопротивлений генератора и разрядного канала, исключить влияние на условия формирования КР проводимости жидкости.
Цель данной работы — определение геометрических размеров и массы алюминиевого проводника, обеспечивающего максимальный КПД преобразования запасенной
1ЗАО "НПО Специальных материалов".
2 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.
* Работа выполнена в ЗАО "НПО Специальных метериалов".
и, кВ 12
I, кА 120
80 40 0
-40
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки (а) и характерные осциллограммы при электрическом разряде в воде инициируемом проводником (б): а: 1 — разрядная камера; 2 — рабочая жидкость (техническая вода); 3 — подвижный поршень; 4 — инициирующий проводник; УК — управляемый ключ; б: 1 — осциллограмма напряжения; 2 — осциллограмма тока
в емкостном накопителе энергии во внутреннюю энергию КР и работу по его расширению в стадии повторного пробоя.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1а. В ходе работы изменялись: величина накопительной емкости (С0) — от 200 до 600 мкФ; зарядное напряжение (и0) — от 2 до 5 кВ; запасаемая в конденсаторной батарее электрическая энергия (б0) — от 0,4 до 7,5 кДж. Омическое сопротивление (Як) и индуктивность разрядного контура (Ьк ) изменялись: Ьк — 0,7^1,6 мкГн и Як — 9^20 мОм соответственно.
Использованные в работе пояс Роговского и импульсный делитель напряжения обеспечивали возможность регистрации тока в КР и напряжения на нем, с временным разрешением не хуже 10-8 сек. С помощью высокоскоростной камеры (МоиопРго X 3) регистрировалось соответствие начальной формы КР нелинейной (не замкнутая окружность) форме ИП (скорость съемки 20 000 кадров/сек).
В качестве ИП в экспериментах использовалась алюминиевая фольга толщиной Ьип = 30 мкм, различной длины (/ип) и ширины (аип), в качестве жидкости — техническая (водопроводная) вода, удельная проводимость которой определялась экспериментально и составляла при нормальных условиях -(0,15^0,2) См/м.
Характерные осциллограммы тока и напряжения, соответствующие электрическому разряду в воде инициируемому проводником (ЭРИП) при следующих условиях: и0 = 4 кВ; С0 = 600 мкФ; аип = 5 мм; /ип = 70 мм, представлены на рис. 1б. Первичная обработка цифровых осциллограмм тока и напряжения осуществлялась по методу скользящего среднего [9].
На осциллограммах рис. 1б отмечены основные особенности ЭРИП: иб — амплитуда броска напряжения, соответствующая моменту электрического взрыва ИП; 1тах — амплитуда тока разряда; 1п — амплитуда тока подрыва ИП; ?вп — время до взрыва ИП;
Рассматриваемый разрядный процесс можно разделить на три стадии: до момента времени ?вп — стадия взрыва проводника; ?паузы — стадия формирования проводящего канала, реализующаяся при наличии достаточной величины напряженности электрического поля вдоль канала потерявшего проводимость проводника (Епр) и характеризуемая величиной протекающего тока много меньшей, чем величина тока в сформи-
гпяузы — время паузы тока.
рованном КР. Далее, если происходит формирование КР, характеризуемое существенным нарастанием тока, то эта стадия называется повторным пробоем.
В ходе экспериментов было установлено, что величина напряженности электрического поля Епр вдоль канала, образованного взрывающейся фольгой (будущего канала разряда), определяет характерные времена формирования проводящего канала в стадии повторного пробоя. При изменении величины Епр в диапазоне от 200 до 350 В/мм величина паузы тока ?паузы уменьшается от 3 до 1 мксек (с разбросом 20%), практически по линейному закону. При уменьшении величины Епр < 150 В/мм значительно увеличивается разброс значений ?паузы и достигает значений в сотни микросекунд, что характерно для механизма теплового пробоя.
При значениях Епр < Екр стадия повторного пробоя отсутствует. В исследованном диапазоне изменения параметров источника энергии и ИП, значение критической величины напряженности электрического поля составляет: Екр = 50 В/мм.
Одной из основных характеристик взрыва ИП является величина интеграла дей-
^вп
ствия плотности тока = | I 2({)д1, где /(?) = /(0/^0 — плотность тока, Б0 = аипЬип —
0
площадь поперечного сечения ИП.
В работах [2, 10] показано, что при достижении определенного значения к изменяется фазовое состояние вещества. Для плотности тока ~ 107 А/см2 можно сказать, что значение к = 0,3 • 109 (А2/см4)/сек соответствует началу плавления; к = 0,5 • • 109 (А2/см4)/сек — концу плавления; к = 0,9 • 109 (А2/см4)/сек — парообразование. В нашем случае разрушение ИП наступает в конце стадии плавления при переходе в стадию испарения, а интеграл действия плотности тока, соответствующий разрушению ИП, изменяется в диапазоне от к = 0,3 • 109 до к = 0,65 • 109 (А2/см4)/сек.
Следует отметить, что величина к является интегральной характеристикой и не учитывает дефектов материала ИП, локальных неоднородностей токораспределения и энерговыделения, влияющих на развитие процесса электрического взрыва проводника. В большинстве экспериментов разрушение ИП происходило при эффективной плотности энергии меньшей энергии сублимации, что свидетельствует о неоднородности процесса электрического взрыва. Вследствие этого, установленное максимальное значение интеграла действия к < 0,9 • 109 (А2/см4)/сек оказалось меньше, чем приводимое в литературе [10, 11].
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о наличии, при прочих равных условиях, величины "оптимальной" массы ИП, обеспечивающей максимальный бросок напряжения (иб/и0 = 2,5^3) на разрядном промежутке. При этом, значение интеграла действия к составляет: к > 0,5 • 109 (А2/см4)/сек.
Данный факт можно объяснить тем, что с одной стороны, при увеличении массы ИП за счет увеличения ширины и длины фольги длительность процесса разрушения при близких скоростях нарастания тока также увеличивается. Изменяется характер разрушения проводника, увеличиваются потери на разогрев слоя воды прилегающего к фольге, что снижает энергию, идущую на формирование броска. Но уменьшение массы ИП приводит к уменьшению длительности процесса разрушения ИП и, соответственно, при близких скоростях нарастания тока, уменьшению амплитуды тока, подрыва и амплитуды броска напряжения, так как иб ~ ЬК /п/At, где Д? — время обрыва тока. Следует отметить, что максимум броска напряжения соответствует значениям к , характерным для области, лежащей между окончанием стадии плавления и стадии парообразования.
Поскольку в задачах с использованием электрического разряда в воде инициируемого проводником для метания объектов "полезный" вклад энергии осуществляется в стадии повторного пробоя, то для реализации этой стадии и минимизации величины
0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8
Шф, мг Qq, кДж
Рис. 2. Изменение величин п (а) и оптимальной массы (б) при изменении геометрических размеров ИП и запасаемой электрической энергии Qq. Параметры разрядного контура: Uq = 5 кВ; Cq = 600 мкФ; LK = 0,75 мкГн, масса поршня 300 г. Толщина ИП b ип = 30 мкм, ширина проводника изменялась от 2,5 до 10 мм при длине: 1 — 1ип = 90 мм, 2 — 110 мм, 3 — 45 мм; 4 — значение максимумов п для различных фиксированных величин 1ип
паузы тока, т.е. потерь запасенной в источнике энергии, оптимальным является значение напряженности электрического поля: Еопт = 200^300 В/мм (Еопт = (4^6)Е ).
Анализ величины КПД преобразования запасенной электрической энергии (пэл) в энергию, введенную в канал разряда (бкр), рассчитанную по осциллограммам тока и напряжения с учетом индуктивной со
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.