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一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置
申请号	CN202311760062.8	申请日	2023-12-20	公开(公告)号	CN117718211A	公开(公告)日	2024-03-19
申请人	北京理工大学;			发明人	韩若愚; 白洁; 李鹏斐; 王梦蕾; 李婧冉; 陈曦;
摘要	本发明公开了一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，属于脉冲功率技术领域。本发明包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及火花间隙开关；腔体用于盛放绝缘液体，沿面电爆炸单元用于产生第一次冲击波，水中放电单元用于产生第二次冲击波，火花间隙开关用于导通沿面电爆炸单元以及导通水中放电单元；本发明通过采用多电极结构放电的方式，以水中沿面放电作为首次冲击波源，并在水中诱导产生气泡，为水中放电单元产生二次冲击波提供更有利于放电的气体介质环境，有效地提高冲击波峰值和能量利用率，具有显著的进步。
权利要求	1.一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，其特征在于，包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及气体火花间隙开关；所述腔体的放电部分内盛满绝缘液体；所述沿面电爆炸单元包括脉冲电源、导电石墨体以及第一电极；所述第一电极设置在腔体内，一侧与所述绝缘液体液面接触；所述导电石墨体的一端设置在所述第一电极的间隙中；所述脉冲电源于所述第一电极连接；所述水中放电单元包括重频脉冲电源以及第二电极；所述第二电极设置在所述腔体的放电部分内，所述重频脉冲电源设置在所述腔体外部，并与所述第二电极连接；所述气体火花间隙开关包括第一气体火花间隙开关以及第二气体火花间隙开关，均设置在所述腔体外部；第一气体火花间隙开关一端与所述脉冲电源相连，另一端与所述第一电极相连；第二气体火花间隙开关一端与所述重频脉冲电源相连，另一端与第二电极相连。 2.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体为透明刚性材质制成。 3.根据权利要求2所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体外还设置有脉冲激光调制单元，所述脉冲激光调制单元包括凸透镜与脉冲激光器，所述凸透镜设置在所述脉冲激光器上。 4.根据权利要求3所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述脉冲激光调制单元还包括时序控制系统。 5.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极的两极板靠近电极间隙一端的相对位置具有凸起，所述凸起设置在第一电极与去离子水接触的一侧。 6.根据权利要求5所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，导电石墨体的另一端设置有弹簧。 7.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极通过第一绝缘子固定在腔体内；所述第二电极通过第二绝缘子固定在腔体内。 8.根据权利要求7所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第二绝缘子上设置有多个通孔。 9.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体上设置有进水口与出水口。 10.根据权利要求1‑9任一项所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极与第二电极之间的距离为10‑50mm；所述第一电极的间隙为1‑30mm，所述第二电极的间隙为1‑20mm。
说明书全文	一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置技术领域 [0001] 本发明涉及脉冲功率技术领域，具体的，本发明涉及一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置。背景技术 [0002] 由于水介质具有密度大、压缩系数小的特殊性质，水中脉冲放电产生的冲击波具有更高的峰值压力，且衰减速度更小。放电通道在快速膨胀时首先会产生一个球面冲击波，随后气泡膨胀后收缩至体积最小时产生二次压力脉动波，气泡的膨胀与压缩运动可循环几次甚至十余次，从而产生多次压力脉动波。水中冲击波效应已在液电成形、能源开发、体外碎石、食品加工等领域已得到广泛应用。 [0003] 目前实际应用中多采用安全可靠的物理方法来产生冲击波，产生水中冲击波的物理方法包括水间隙击穿、水中金属丝电爆炸、激光诱导等。其中，水间隙击穿即“液电效应”(electrohydraulic effect)，指的是液体介质被高压脉冲击穿后引发的光、热和冲击波等效应。水中金属丝电爆炸(Underwater Electrical Wire Explosion，简称UEWE、水中丝爆)是指金属丝受到脉冲电流的驱动后，在焦耳加热作用下，快速经历熔化、汽化、击穿/电离等一系列相变过程，同时伴随光辐射、冲击波等物理现象。水中沿面放电与UEWE具有相似的放电波形，可以认为水中沿面放电由于载流导电涂层微观的不均匀性，能量沉积不均匀导致局部过热发生微小“电爆炸”，类似电‑热不稳定性机制。激光诱导是指将高能量的激光束聚焦到水中，从而产生冲击波等效应。 [0004] 单一放电源产生的冲击波能量转化效率较低(最高达24％)，因此目前亟需一种装置可以产生更强、更可控的冲击波提高冲击波的压力峰值，从而为工程及民用应用提供更强的可控机械波源。发明内容 [0005] 为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于水中沿面电爆炸诱导气泡的复合式机械波发生装置，以沿面电爆炸单元提供首次冲击波，同时诱导产生气泡，再以水中放电单元在气泡中二次放电产生第二次冲击波，可实现较高的放电稳定性和可控性，显著提高冲击波的峰值和能量转化效率。 [0006] 一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及气体火花间隙开关； [0007] 所述腔体的放电部分内盛满绝缘液体； [0008] 所述沿面电爆炸单元包括脉冲电源、导电石墨体以及第一电极；所述第一电极设置在腔体内，一侧与所述绝缘液体液面接触；所述导电石墨体的一端设置在所述第一电极的间隙中；所述脉冲电源于所述第一电极连接； [0009] 所述水中放电单元包括重频脉冲电源以及第二电极；所述第二电极设置在所述腔体的放电部分内，所述重频脉冲电源设置在所述腔体外部，并与所述第二电极连接； [0010] 所述气体火花间隙开关包括第一气体火花间隙开关以及第二气体火花间隙开关，均设置在所述腔体外部；第一气体火花间隙开关一端与所述脉冲电源相连，另一端与所述第一电极相连；第二气体火花间隙开关一端与所述重频脉冲电源相连，另一端与第二电极相连。 [0011] 进一步的，所述腔体为透明刚性材质制成。 [0012] 进一步的，所述腔体外还设置有脉冲激光调制单元，所述脉冲激光调制单元包括凸透镜与脉冲激光器，所述凸透镜设置在所述脉冲激光器上。 [0013] 进一步的，所述脉冲激光调制单元还包括时序控制系统。 [0014] 进一步的，所述第一电极的两极板靠近电极间隙一端的相对位置具有凸起，所述凸起设置在第一电极与去离子水接触的一侧。 [0015] 进一步的，导电石墨体的另一端设置有弹簧。 [0016] 进一步的，所述第一电极通过第一绝缘子固定在腔体内；所述第二电极通过第二绝缘子固定在腔体内。 [0017] 进一步的，所述第二绝缘子上设置有多个通孔。 [0018] 进一步的，所述腔体上设置有进水口与出水口。 [0019] 进一步的，所述第一电极与第二电极之间的距离为10‑50mm；所述第一电极的间隙为1‑30mm，所述第二电极的间隙为1‑20mm。 [0020] 与现有技术相对比，本发明的有益效果如下： [0021] 1.本发明通过采用多电极结构放电的方式，以沿面放电作为首次冲击波源，并在水中诱导产生气泡，为水中电极产生二次冲击波提供更有利于放电的气体介质环境，有效地提高冲击波峰值和能量利用率。 [0022] 2.本发明通过脉冲激光调制单元，可以控制石墨沿面放电的初始局部炸点位置、诱导击穿水中电极间隙，可增强冲击波的可控性和强度，进一步满足水中脉冲放电在实际应用的需求。 [0023] 3.本发明提供的沿面电爆炸单元，凹形电极构造和弹簧结构可以实现沿面放电介质的自动补充，保证沿面放电的可连续性。 [0024] 4.本发明提供的绝缘子上的多通孔可以调整沿面电爆炸电极和水间隙放电电极的距离，提高了复合冲击波的可控性。 [0025] 5.本发明提供的沿面电爆炸单元和水中放电单元，基于脉冲激光调制单元，可以实现两种电极结构第三次或更多次放电的不同放电时序，从而获得不同冲击波强度。同时激光诱导放电可以为放电通道形成提供一定能量，提高放电效率。 [0026] 6.本装置结构简单、成本低、稳定性好，可根据实际需求，通过调节水中电极间距、时序控制系统和脉冲源频率对冲击波进行进一步调控。附图说明 [0027] 图1为本发明的优选实施例的结构示意图；图中，为防止表示去离子水的线条与其他线条产生混淆，故省去表示去离子水的线条。 [0028] 图中： [0029] 1‑腔体；201‑第一气体火花间隙开关；202‑第二气体火花间隙开关；3‑弹簧；4‑导电石墨体；5‑第一电极；601‑第一绝缘子；602‑第二绝缘子；7‑第二电极；8‑等离子水；9‑进水口；10‑出水口；11‑凸透镜；12‑脉冲激光器；13‑脉冲电源；14‑重频脉冲电源。具体实施方式 [0030] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。 [0031] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0032] 此外，在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0033] 下面结合附图1，对本发明的具体实施方式作详细的说明。 [0034] 本发明提供了一种多物理场源复合机械波控制装置，以沿面电爆炸单元提供首次冲击波，同时诱导产生气泡，再以水中放电单元在气泡中二次放电产生第二次冲击波，可实现较高的放电稳定性和可控性，显著提高冲击波的峰值和能量转化效率。 [0035] 一种基于水中沿面电爆炸诱导气泡的复合机械波控制装置，包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及火花间隙开关； [0036] 腔体1用于盛放去离子水8和固定电极，包括放电部分与容纳部分，腔体1放电部分中盛满去离子水8或绝缘油等绝缘液体，优选为去离子水8； [0037] 沿面电爆炸单元用于产生首次冲击波，包括脉冲电源13、导电石墨体4、以及第一电极5；脉冲电源13为高压直流电源，电压范围为115kV；第一电极5由块状电极的高压电极和低压电极组成，二者之间留有间隙的设置在腔体1内，一侧与绝缘液体液面接触，另一侧用于设置导电石墨体4；导电石墨体4的前端设置在第一电极5的间隙中；第一电极5为块状的高压电极与低压电极组成，两块电极之间形成电极间隙；第一电极5为金属材质，综合价格、熔点、导电性、耐热性等因素，材质优选为铜；为减少消耗，导电石墨体4设计为层状结构，每次产生冲击仅需消耗一层导电石墨体4； [0038] 水中放电单元用于产生第二次冲击波，包括重频脉冲电源14以及第二电极7；第二电极7设置在腔体1内，并从腔体1的放电部分中穿过去离子水8，重频脉冲电源14为交流电源，电压范围为115kV，频率范围为1Hz到15kHz，设置在腔体1外部，并与第二电极7连接；第二电极优选由针状的高压电极和低压电极组成，两个尖部之间形成电极间隙，采用钨材质制成。 [0039] 火花间隙开关2数量为2个，设置在腔体1外部，其中一个的一端与脉冲电源13连接，另一端与第一电极5连接，另一个的一端与重频脉冲电源14连接，另一端与第二电极7连接，用于导通脉冲电源13与第一电极5的连接，以及重频脉冲电源14与第二电极7的连接；火花间隙开关2为气隙，当脉冲电源13的电流通过所述气隙时，可击穿气隙，火花间隙开关2导通，进而引发后续放电。 [0040] 使用时，打开脉冲电源13，为沿面电爆炸单元提供一定参数的脉冲电流，导通位于脉冲电源13与第一电极5的连接之间的火花间隙开关2，当火花间隙开关2导通后，电流途经第一电极5和导电石墨体4构成放电回路，通过烧蚀导电石墨体4的导电石墨层，引发沿面局部电爆炸进行放电，在去离子水中产生冲击波、等离子体、气泡等； [0041] 然后打开重频脉冲电源14，为水中放电单元提供一定参数的脉冲电流，导通位于重频脉冲电源14与第二电极7的连接之间的火花间隙开关2，电流途径第二电极7构成放电回路，在去离子水8中，由第一次电爆炸产生的气泡内，放电产生第二次冲击波，与沿面电爆炸单元产生的冲击波形成复合冲击波，有效提高冲击波峰值，相较于水间隙，气体介质中电极间隙击穿电压更低、更容易被击穿，可以有效提高能量利用率。 [0042] 在一个优选实施例中，腔体1为透明刚性材质制成，优选为有机玻璃，有机玻璃材质具有一定的机械强度，可抗住放电产生的冲击波冲击，并且其优良的透光性可用于放电光谱分析。 [0043] 在一个优选实施例中，腔体1外还设置有脉冲激光调制单元，脉冲激光调制单元包括两个凸透镜11与两个脉冲激光器12，两个凸透镜11分别设置在两个脉冲激光器12上，脉冲激光器12可产生脉冲激光，两个凸透镜11用于将两个脉冲激光器12发出的平行光聚焦至一点形成激光光斑；脉冲激光调制单元用于激光聚焦沿面电爆炸，沿面电爆炸单元中第一电极5的材料微观下是粗糙不平的，激光可以为沿面材料的电子发射提供能量，因此激光打到沿面材料的不同位置可以使相应位置更容易产生最初的电爆炸，沿面放电此位置放电最为剧烈，因此可用来控制初始局部炸点位置、诱导击穿第一电极5的间隙，同时脉冲强激光用于产生后续放电。 [0044] 在一个优选实施例中，脉冲激光调制单元还包括时序控制系统，时序控制系统用于控制产生沿面电爆炸与第二电极7击穿的顺序，由数字延时发生器(DG645)进行控制。当脉冲激光调制单元发出的激光打到沿面电爆炸单元中的第一电极5间隙上时，可以使第一电极5间隙中的电子高能化，降低第一电极5击穿电压阈值；当激光打到水中放电单元中的第二电极7电极间隙上时，可以使沿面电爆炸产生的气泡中的电子高能化，降低第二电极7击穿电压阈值；即电压略低于最低放电电压时，通过照射激光可以使电极间放电，调控激光照射沿面电爆炸单元或水中放电单元的前后时间，从而使第一电极5或第二电极7击穿放电。 [0045] 通过上述脉冲激光调制单元，可控制放电的顺序和次数，从而调控最终复合冲击波的强度，有效提高冲击波峰值。 [0046] 在一个优选实施例中，第一电极5的两个极板靠近电极间隙的一端，其相对位置处构造有凸起，凸起设置在第一电极与去离子水接触的一侧，两个凸起组合使用，使第一电极5电极间隙处设置有导电石墨体4的一侧形成凹槽状，导电石墨体4位于电极间隙处的凹槽内，可用于固定导电石墨体4。 [0047] 在一个优选实施例中，导电石墨体4的后端设置有弹簧3，弹簧3用于在导电石墨体4最前端的一层导电石墨层被消耗后，通过自身弹力带动导电石墨体4前移，自动补充被消耗的导电石墨层。 [0048] 在一个优选实施例中，所述第一电极5通过第一绝缘子601固定设置在腔体1内；所述第二电极7通过第二绝缘子602固定设置在腔体1内，第一绝缘子601与第二绝缘子602用于将第一电极5以及第二电极7与腔体1分隔开，防止第一电极5以及第二电极7与腔体1连通，或发生击穿、爬电等现象。 [0049] 在一个优选实施例中，第二绝缘子602上设置有多个通孔，通孔用于改变第二电极7在第二绝缘子602中的位置，,从而改变第二电极7与第一电极5之间的距离。 [0050] 在一个优选实施例中，腔体1上设置有进水口9与出水口10，进水口9与出水口10分别用于进出去离子水8，此外还可用于定向排出放电产物，便于收集。 [0051] 在一个优选实施例中，第一电极5与第二电极7之间的距离为10‑50mm；第一电极5的间隙大小为1‑30mm，第二电极7的间隙大小为1‑20mm，上述距离或距离区间，能够保证较好的能量沉积和稳定的触发效果。 [0052] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。