Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. 7
1.1 Общее описание искровых разрядов. 7
1.2 Импульсные разряды в воде. 11
1.3 Импульсные разряды над поверхностью мокрого грунта . 15
1.4 Импульсные разряды над поверхностью жидкости. 18
1.5 Влияние проводимости и геометрии среды, над которой 24
распространяется разряд.
1.6 Определение некоторых параметров разрядов над жидкостями. 28
1.6.1 Концентрация и температура электронов. 28
1.6.2 Скорость распространения разряда.. 30
ГЛАВА 2. Стадии, условия и методы определения скорости распространения разряда .
2.1 Экспериментальная установка и методика измерений. 35
2.2 Стадии развития разряда. 36
2.3 Условия распространения импульсного разряда над поверхностью жидкости .
2.4 Экспериментальная установка для определения скорости разряда. 44
2.5 Метод киносъемки. 46
2.6 Метод использования фотоумножителя. 47
2.7 Метод использования эквивалентной схемы разряда. 49
2.8 Сравнение результатов полученных разными методами. 50
2.9 Выводы к главе 2. 51
ГЛАВА 3. Определение параметров плазмы разряда 52
3.1 Экспериментальная установка для определения параметров плазмы разряда.
3.2 Методика спектральных, измерений и определения параметров плазмы разряда.
3.3 Определение интегрального по спектру свечения разряда над поверхностью воды .
3.4 Общие характеристики спектра разряда над поверхностью воды. 59
3.5 Определение температуры возбуждения и концентрации электронов в плазме завершенного разряда.
3.6 Определение температуры возбуждения и концентрации электронов в плазме незавершенного разряда.
3.7 Сравнение полученных экспериментально параметров с теоретическими оценками.
3.8 Выводы к главе 3. 71
ГЛАВА 4. Влияние диэлектрических преград на распространение разряда
4.1 Зависимость продолжительности второй стадии развития разряда от различных параметров.
4.2 Объяснение распространения разряда на основе газодинамической модели.
4.3 Схема расположения диэлектрических преград 74
4.4 Возможность преодоления преграды. 75
4.5 Влияние преград на характеристики разряда . 75
4.6 Распространение импульсного разряда над твердой поверхностью. 81
4.7 Выводы к главе 4. 85
ГЛАВА 5. Исследование зависимости скорости распростанения разряда от сопротивления водного раствора .
5.1 Определение времени распространения разряда при нагреве воды. 86
5.2 Зависимость скорости от сопротивления соляных и спиртовых 88
растворов.
5.3 Зависимость скорости от сопротивления соляных растворов в дистиллированной воде.
5.4 Выводы к главе 5. 98
Основные результаты и выводы 100
Список цитируемой литературы 102
Список публикаций автора
- Импульсные разряды над поверхностью мокрого грунта
- Условия распространения импульсного разряда над поверхностью жидкости
- Определение интегрального по спектру свечения разряда над поверхностью воды
- Влияние преград на характеристики разряда
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию условий и характера распространения импульсного разряда над поверхностью воды и водных растворов, что является актуальным и практически важным для разработки систем очистки воды, средств молниезащиты производственных объектов, а также для создания адекватных физических моделей исследуемого явления.
Актуальность темы
Одним из важнейших направлений изучения искрового разряда и его характеристик является исследование импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды и ее растворов. Необходимость таких исследований обусловлена разработкой устройств очистки воды и систем молниезащиты. В связи с этим в различных лабораториях выполнено большое количество работ по изучению искровых разрядов и в том числе импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды.
В настоящей работе экспериментально исследуются параметры и поведение разряда, распространяющегося над поверхностью воды в условиях, когда над ней существует паровоздушная прослойка. Многие характеристики такого разряда не были тщательно изучены ранее, что в значительной мере затрудняло создание соответствующих теоретических моделей. В связи с этим, тема настоящей диссертационной работы является достаточно актуальной.
Цель работы
В качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:
Проведение детальных исследований динамики распространения разряда над поверхностью воды при использовании квазипрямоугольного импульса напряжения, длительность которого достаточна для формирования паровоздушной прослойки между разрядом и жидкостью.
Изучение характера распространения импульсного разряда над поверхностью воды при наличии диэлектрических преград в условиях, когда между разрядом и жидкостью существует паровоздушная среда.
Детальное изучение влияния сопротивления жидкости на скорость распространения над ней импульсного разряда.
Методы исследований
Результаты диссертации получены с использованием следующего диагностического оборудования:
Оптические детекторы: фотоэлектронный умножитель, скоростная кинокамера, эмиссионный спектрометр.
Методы определения электрических параметров разрядов: делитель напряжения, шунт. Многоканальный осциллограф.
Научная новизна
Все полученные результаты являются новыми, основная их часть получена автором самостоятельно. Научная новизна работы состоит в следующем:
Применение генератора квазипрямоугольных импульсов позволило четко выделить три стадии развития разряда над поверхностью воды в условиях интенсивного парообразования.
Впервые проведены исследования и выявлены основные особенности распространения разряда над поверхностью воды при наличии нескольких диэлектрических преград различных размеров.
Впервые получены зависимости средней скорости распространения разряда над поверхностью жидкости от ее сопротивления при изменении последнего в диапазоне от 300 Ом до 300 кОм. Показано, что в условиях проведенных экспериментов наблюдается максимум скорости при значениях сопротивления жидкости равном четырем балластным сопротивлениям. Предложена приближенная эмпирическая формула для зависимости средней скорости распространения разряда от его начальных параметров, которая достаточно хорошо объясняет полученные экспериментальные результаты.
Личный вклад автора
Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. При непосредственном участии автора создавались экспериментальные установки и разрабатывались методики измерений, проводились экспериментальные исследования и обработка полученных результатов. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.
Практическая ценность работы
Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы при проведении дальнейших научных экспериментальных и теоретических работ по исследованиям импульсного разряда, распространяющегося по поверхности различных жидкостей.
Они могут быть использованы для оптимизации рабочих условий существующих устройств очистки воды и систем молниезащиты, а также для исследования возможности применения данного типа разряда, для реализации горения тонких пленок топлива, нанесенных на поверхность воды.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались: На конференции «Ломоносовские чтения» в МГУ, г. Москва, 2008,2009,2010 гг., на международной конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов 2009" в МГУ, г. Москва 2009 г., на научно-практической конференция «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ» в МГУ, г. Москва 2009 г, на международной конференции AIAA Aerospace Sciences Meeting, США, Флорида, Орландо, 2009,2010,2011 гг., на международной конференции «Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС», Россия, 2009,2010,2011 гг.
Публикации
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в девяти работах, список которых приводится в конце автореферата. Шесть работ [2 -7 ] опубликованы в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации.
Структура и объем диссертации
Импульсные разряды над поверхностью мокрого грунта
В работах [73-76] исследовалось развитие импульсного искрового разряда над поверхностью воды и влажного фунта. В работе [75] приводятся предположения, согласно которым механизм развития бесстримерного лидера длиной искры вдоль мокрого грунта считается инвариантным в отношении способа создания тока, питающего канал разряда. Стримерный механизм разряда в этом случае рассматривается лишь как вспомогательный, создающий один из возможных вариантов формирования головной части лидера.
Согласно этим теоретическим предпосылкам в скользящем разряде, который формируется вдоль тонких диэлектрических пленок, наложенных на металлическую плоскость, может иметь место бесстримерная форма лидера, где ток требуемого уровня образуется, главным образом, за счёт большой собственной емкости удлиняющегося канала. Предполагается, что аналогичная ситуация характерна для разряда вдоль проводящих поверхностей, например вдоль поверхности земли [73-75].
Так в работе [74] приводятся результаты исследования развития искрового разряда над поверхностью мокрого грунта. Экспериментально изучаются процессы формирования стримеров и лидера разрядного канала вдоль поверхности грунта. С точки зрения процесса развития молнии разряд инициируется в месте удара молнии и распространяется вдоль поверхности влажной земли. Причём наиболее длинные каналы характерны для относительно высокоомных грунтов (р 10 Ом м). В этом случае главным препятствием объяснения появления многометровых разрядных каналов с позиций классических представлений о лидерном процессе оказывается относительное низкое падение напряжение на грунте при протекании тока молнии и кратковременность его воздействия [74].
В работе [74] показано, что в средах с удельным сопротивлением до 5000 Ом м максимальное напряжение на грунте не может превысить величины 4 MB даже для самых мощных импульсов, сила тока которых достигает амплитудного значения до 100 кА. В этом случае напряжения (4 - 5) MB достаточно лишь для того, чтобы обеспечить распространение лидера в воздухе на длину около 100 м со средней скоростью (1,5-2,5) см/мкс, тогда развитие процесса займет не менее 4 мс [77,78]. В тоже время из сравнения, значения времени существования разряда полученного в работе [74], с фактическим временем воздействия напряжения на грунте следует, что средняя длительность импульса тока молнии не превышает 100 мкс, а импульс напряжения, возбужденного этим током, будет еще короче из-за постоянного снижения сопротивления заземления вследствие удлинения канала разряда. Чтобы объяснить наблюдавшиеся на практике перекрытия многометровых промежутков, приходиться допустить, что лидер способен двигаться вдоль поверхности земли со средней скоростью до 100 см/мкс, но такая высокая скорость достижима лишь при лидерном токе свыше 200 А, который не достигается в экспериментах [74,76].
Согласно [73-76] формирование стримерной зоны, безусловно, необходимо для лидерного процесса в открытом воздухе. Во время начальной фазы, благодаря зарядам длинных стримеров, внедряемых в объем стримерной зоны и увеличивающих эффективную емкость лидера до (25 - 50) пФ/м, обеспечивается ток смещения около 1 А, который разогревает канал, т.е. в сквозной фазе стримеры организуют ток переноса, обеспечивая транспортировку заряда из промежутка на: своих головках со скоростью (107 - 109) см/с. Таким образом, формируется лидер разряда с вырожденной стримерной зоной.
В [74] приводится пример скользящего разряда вдоль тонкой диэлектрической пластины, наложенной на металлическую плоскость. Когда снижается толщина пластины, можно многократно увеличить погонную емкость канала Ск, не прибегая к услугам объемного заряда длинных стримеров, при этом ток лидера возрастет пропорционально Ск. В этом случае, формирующийся канал вырожденного лидера по своим.основным проявлением оказывается подобным каналу классического лидера, таким образом, лидерный процесс инвариантен по отношению к механизму создания тока [74,75]. В то же время, не только большая емкость канала в скользящем разряде вдоль диэлектрика [75], но и проводимость грунта при разряде на влажную землю может обеспечить в поверхностном слое ток, достаточный для развития длинного лидера. Именно такой механизм позволяет объяснить многометровые пробои грунта при ударах молнии. Действительно, ток молнии, распространяясь по каналу формирующего лидера, должен стекать в землю через его боковую поверхность, контактирующую с грунтом и через головку. Если при этом у головки будет обеспечено условие самостоятельности разряда, а ток через головку превысит некоторое критическое значение, близкое по порядку величины к 1 А, лидерный канал вдоль поверхности земли должен удлиняться подобно классическому лидеру в открытом воздухе [74].
В работе [75] экспериментально показано, что формирование канала разряда требует нарушения симметрии в начальном развитии зоны ионизации у высоковольтного электрода. Так в. первые моменты времени после пробоя воздушного зазора длиной I ; (1-3) мм между вершиной стержня и поверхностью проводящей среды разряд всегда развивается симметрично. Но затем он оказывается шунтированным сопротивлением воды между электродами, и распространяется вдоль внешней поверхности проводящей среды в направлении заземленной плоскости, т.е. в сторону уменьшения шунтирующего сопротивления.
Таким образом, в изложенных работах была предложена и экспериментально доказана гипотеза о возможности бесстримерного формирования лидера- искрового разряда над поверхностью влажного грунта за счёт естественной проводимости среды. С помощью этой гипотезы можно объяснить распространение при ударах молнии искровых каналов в поверхностном слое грунта со скоростью до 10 см/с на длину в десятки метров. Причём, распространение многометрового лидера вдоль поверхности земли предопределяется током молнии и удельным сопротивлением фунта и слабо зависит от его пробивной напряженности, характеризующей электрическую прочность в однородном поле. Практическое значение этих исследований состоит в необходимости учета их результатов при разработке, например, разнообразных систем молниезащиты. Так показано, что мероприятия по молниезащите различных объектов с развитой сетью подземных коммуникаций должны предусматривать средства защиты от импульсов тока, проникающих от точки удара молнии по каналам искровых разрядов в грунт на большие расстояния [74].
Условия распространения импульсного разряда над поверхностью жидкости
Распространение разряда именно над поверхностью воды связано с наличием над водой прослойки пара, который образуется при испарении воды током разряда. Как показано в работе [18] наличие водяного пара ухудшает условия развития разряда по сравнению с воздухом в результате больших потерь электронов на прилипание. В этом случае разряд стремится развиваться в среде с меньшими потерями, т.е. в воздухе над прослойкой пара, на некотором расстоянии от воды. Следует отметить, что в большинстве работ, цитируемых в первой главе, разряд распространялся по поверхности воды, касаясь ее, т.к. влияние испарения воды при малых длительностях разряда было незначительным.
Были проведены эксперименты по определению условий, выполнение которых необходимо для распространения разряда над водой и ее растворами. Использовались соляные растворы обыкновенной и дистиллированной воды, а также водные растворы спирта. И хотя большинство экспериментов было проведено с технической водой, основные условия распространения разряда, полученные для воды, проверялись и для различных водных растворов. Таким образом, можно предположить, что необходимые условия, которые будут изложены ниже, являются применимыми для любых водных растворов.
Первым необходимым условием распространения разряда над поверхностью жидкости является наличие первоначального линейного пробоя воздушного промежутка между катодом и поверхностью жидкости. В случае, когда катод (как и анод) был погружен в жидкость, линейного пробоя не происходило, и никакого распространения разряда над жидкостью не наблюдалось.
Следует отметить, что наличие первоначального линейного пробоя является необходимым, но не достаточным условием распространения разряда над жидкостью. Этот вывод подтверждается простым экспериментом, в котором вода заменялась диэлектрической пластиной (рис. 2.8).
Использовалась пластина из гетинакса (1), на которой с одной стороны крепилась клемма (2), а с другой медная пластинка (3) (анод). Непосредственно над клеммой (2) располагался игольчатый электрод (4) (катод). Вода заменялась постоянным сопротивлением R = 3 кОм. Катод и анод были соединены с соответствующими полюсами источника импульсного высокого напряжения (5). В этом случае при подаче на электроды высоковольтного сигнала между катодом и клеммой (2) возникал линейный пробой, но никакого распространения разряда над поверхностью диэлектрической пластины не регистрировалось. - +
Согласно выводам, приведенным в монографии Э.М. Базеляна и Ю.П. Райзера [2], одним из условий (в нашем случае вторым), необходимым для распространения разряда является наличие падающей вольтампернои характеристики во время его движения над водой. В настоящей работе вольтамперные характеристики разряда определялись в большом числе экспериментов, которые проводились при различных начальных условиях (тип жидкости, начальное напряжение, величина балластного сопротивления, длительность импульса). И во всех случаях при распространении разряда над жидкостью его вольтамперная характеристика была падающая.
На рис. 2.9 приведены типичные зависимости падения напряжения на разряде от величины разрядного тока, соответствующего времени распространения разряда от катода к аноду. Как следует из приведенных зависимостей вольтамперная характеристика разряда является падающей. Аналогичные зависимости получаются во всех случаях движения разряда от катода к аноду независимо от условий проведения экспериментов (рис. 2.9 а - обычная вода, рис. 2.9 б - концентрированный раствор соли). массовая концентрация соли = 0,003%. Еще одним необходимым условием распространения разряда над поверхностью жидкости является наличие электрического контакта меду головной частью разряда и водой. Необходимость выполнения этого условия подтверждается следующим простым экспериментом. На пути распространения разряда (перпендикулярно к его продольной оси) на некотором расстоянии от катода над поверхностью воды размещалась тонкая (высотой 0,5 мм) диэлектрическая преграда шириной 10 мм. Длина преграды была больше размеров кюветы с водой, что позволяло полностью перекрыть поверхность воды. Преграда помещалась так, что нижняя ее часть смачивалась водой, а верхняя находилась в воздухе. Помимо регистрации осциллограмм тока и напряжения, проводилась киносъемка разряда при помощи фотоаппарата, расположенного практически над кюветой с водой. Типичные результаты, полученные в таких экспериментах, приведены на рис. 2.10.
Как следует из представленных фотографий, в отсутствие диэлектрической преграды разряд свободно распространяется от катода к аноду, расположенному от него на расстоянии 60 мм и полностью погруженному в воду (рис. 2.10 а). При наличии диэлектрической преграды разряд распространяется только в той области, где существует его электрический контакт с поверхностью жидкости, т.е. до преграды. При этом полная длина разряда тем меньше, чем ближе к катоду размещается диэлектрическая преграда (рис. 2.10 б и в). Из этих экспериментов следует, что нарушение электрического контакта
Интегральные фотографии разряда (вид сверху): а - разряд без преграды, б и в - преграда размещена, соответственно, на расстоянии 40 мм и 30 мм от катода. L = 60 мм, т =100 мкс, Н = 5 мм, Uo = 16 кВ, Re = 1 кОм. головной части разряда с водой приводит к невозможности его дальнейшего распространения. Таким образом, наличие электрического контакта между головной частью разряда и жидкостью является одним из условий его распространения над ее поверхностью.
Была проведена еще одна серия экспериментов, целью которых являлось подтверждение условия необходимости непрерывного электрического контакта между головной частью разряда и поверхностью жидкости. В этом случае использовались кюветы полукруглой и П - образной формы, которые наполнялись водой. Типичные интегральные фотографии разряда в таких кюветах приведены на рис. 2.11. Видно, что разряд принимает форму кюветы, т.е. распространяется только по линии, где имеется электрический контакт между его головной частью и водой. Этот факт позволяет сделать дополнительный вывод о возможности формирования разряда различной формы. В частности можно создавать разряд, который способен распространяться, огибая различные препятствия, связанные с особенностями конструкций экспериментальных установок.
Основной характеристикой разряда, распространяющегося над поверхностью жидкости, как уже отмечалось выше, является скорость движения головки лидера, которая определяется непосредственно механизмом развития разряда. Таким образом, измерение скорости движения разряда в зависимости от различных начальных параметров, является одним из необходимых условий для построения соответствующих физических моделей его распространения. Существующие методы сверхскоростной съемки достаточно дорогостоящи и, кроме того, требуют большой интенсивности свечения разряда для его уверенной регистрации. В настоящей работе рассматриваются относительно простые методы, позволяющие определить скорость распространения разряда на основании несложных экспериментальных измерений.
Эксперименты по определению скорости поверхностного разряда выполнялись на установке, схема которой приведена на рис. 2.12, и принцип функционирования которой подробно изложен ранее в 2.1. В экспериментах расстояние между электродами по горизонтали было L = (50 - 100) мм, начальное напряжение источника изменялось в пределах Uo = (7 - 30) кВ, балластное сопротивление R = (1 - 4) кОм и длительность импульса разряда т = (50 - 800) мкс.
Определение интегрального по спектру свечения разряда над поверхностью воды
В результате многочисленных экспериментов, проведенных при различных начальных условиях, были получены скорости распространения разряда, лежащие в довольно широком диапазоне значений от V 150 м/с до V 9000 м/с. Скорости (1,5-5) км/с были получены в работе [29], в которой скорость распространения разряда, очевидно, определяется скоростью фронта ионизации, и ее зависимость от величины тока разряда соответствует уже приводимой формуле V = kia. Распространение же разряда с малыми скоростями (до 1000 м/с) не может быть объяснено ионизационными процессами, а указывает на то, что причиной этого могут быть газодинамические эффекты, скорость протекания которых (скорость звука, тепловая скорость молекул) по порядку величины соответствует полученным в эксперименте [93].
Авторы работы [93] рассматривают процесс распространения разряда следующим образом. Разрядный канал состоит из двух частей — горизонтальной, удлинение которой и приводит к его распространению и вертикальной, обеспечивающей контакт с водой. В некоторый момент времени вертикальная часть разрядного канала находится в области (1) (рис. 4.2). В области контакта плазменного столба с поверхностью воды происходит ее нагрев и испарение. Увеличение плотности пара приводит к затруднению существования вертикальной части плазменного канала, вследствие чего происходит пробой в области (2). При этом предполагается, что длина плазменного канала увеличивается на величину Ах d, где d - диаметр канала. Тогда число микропробоев на межэлектродном расстоянии L0 будет равно N = Lo / Ах. Тогда, если положить, что время испарения воды и расширения пара в плазменном канале (At) будет определять временной интервал, в течении которого происходит один цикл микропробоя. В этом случае, полное время движения разряда от анода к катоду (время второй стадии развития разряда) будет равно: Аг = At N = At Lo / Ах, а скорость движения разряда будет равна: V = Ах / At.
Так как величина Ах в зависимости от начальных условий изменяется слабо, то в основном скорость распространения разряда будет определятся временем одного микропробоя (At) [93].
Скорости распространения разряда, вычисленные на основании модели предложенной в [93] хорошо объясняют нижний диапазон значений экспериментально полученных скоростей. Таким образом, согласно предложенной модели, развитие разряда осуществляется через ряд промежуточных этапов в воздушной среде соседнего участка и картина повторяется. В этом случае распространение разряда в предложенной модели является дискретным. к источнику питания
Для проверки этого вывода был проведен цикл экспериментов, в которых на пути движения разряда размещались диэлектрические преграды. Для экспериментов с преградами использовалась установка, описанная в 2.1. Схема расположения преград на пути распространения разряда представлена на рис. 4.3. Преграды были сделаны из диэлектрической лески (проволочки) и покрыты лаком, чтобы избежать их смачивания водой. Диаметр преград изменялся от (0,3 - 2) мм, расстояние между преградами было кратно 1 см. Длины преград были больше поперечных размеров кюветы с водой, что позволяло полностью перекрыть поверхность воды. Преграды размещались, таким образом, при котором их нижние части смачивались водой, а верхние находились в воздухе.
Было проведено детальное исследование влияния на характер распространение разряда над поверхностью жидкости преград меньших размеров, чем использовавшихся в 2.3. Эксперименты проводились при различных начальных параметрах, таких как начальное напряжение, величина балластного сопротивления, диаметр проволоки, ее положение относительно катода, количество преград и т.п. Для регистрации процесса распространения разряда фиксировались осциллограммы разрядного тока и падения напряжения. На осциллограммах (рис. 4.4 а) виден скачок тока и падение напряжения в момент достижения разрядом преграды. На интегральной фотографии разряда (рис. 4.4 б) видно, как разряд огибает преграду. т =200 мкс, Н = 5 мм, Uo = 12,9 кВ, Rs = 1 кОм, х = 2,5 см, d = 2 мм. Цена большого деления по горизонтали 50мкс/дел, а по вертикали: для тока 10 А/дел, для напряжения 10 кВ/дел. б) Фотография разряда. Из результатов, представленных на рис. 4.4, можно сделать вывод, что распространение разряда может происходить скачкообразно, т.е. дискретно, как и предполагает модель, предложенная в [93].
Эксперименты показали, что завершенный разряд реализуется в случае наличии преграды при больших значениях начального напряжения в импульсе, чем без нее. На рис. 4.5 представлена зависимость минимального начального напряжения, необходимого для распространения разряда от катода к аноду, от положения одной преграды относительно катода при различных значениях диаметра диэлектрической проволочки. Расстояние х отсчитывалось от острийного катода. Из данного рисунка следует, что, во-первых, минимальное напряжение растет с ростом диаметра преграды и, во-вторых, оно падает по мере удаления преграды от катода. Представленные результаты можно объяснить на основании газодинамического механизма распространения разряда [93]. Действительно, наличие преграды увеличивает расстояние между каналом и поверхностью воды, по которому происходит микропробой. Поскольку величина пробойного значения напряженности электрического поля в воздухе постоянна (Е = 30 кВ/см), то увеличение расстояния, по которому происходит пробой, приводит к увеличению необходимого минимального напряжения в импульсе. Таким образом, чем больше диаметр преграды, тем больше минимальное напряжение, при котором реализуется распространение разряда. В то же время, при удалении преграды от катода при постоянном начальном напряжении возрастает величина напряженности электрического поля, поэтому пробойное напряжение при этом падает и в пределе стремится к минимальному напряжению, необходимому для распространения завершенного разряда в воде без преград.
Зависимость минимального начального напряжения от положения одной преграды относительно катода, - d=2 мм,- d=0,9 мм. На рис. 4.6 представлены типичные зависимости минимального значения напряжения необходимого для распространения разряда от количества преград, находящихся на пути распространения разряда. Преграды размещались равномерно: для графика (1) - 1-ая на расстоянии 10 мм от катода, а каждая последующая на расстоянии, кратном 10 мм, а для графика (2) - 1-ая на расстоянии 10 мм от анода, а каждая последующая на расстоянии, также кратном 10 мм. Из представленных на этом рисунке зависимостей следует, что увеличение числа преград приводит к соответствующему росту начального минимального напряжения необходимого для реализации завершенного разряда между электродами. Видно, что, когда увеличение числа преград начинается от анода (2), минимальное пробойное напряжение растет практически линейно при увеличении их числа. В случае, когда число преград увеличивается от катода (1) рост минимального напряжения оказывается достаточно слабым: в пределах ошибки это напряжение остается практически постоянным.
Влияние преград на характеристики разряда
Как видно из рис. 5.7 а, зависимость скорости распространения разряда от сопротивления жидкости имеет максимум. Причем этот максимум соответствует тем большему сопротивлению жидкости, чем больше сопротивление балласта. В тоже время из рис. 5.7 б следует, что скорость распространения разряда достигает максимального значения при одном и том же значении отношения сопротивления жидкости к сопротивлению балласта, а именно при Кж I Ыб = 4, независимо от величины последнего.
Суммарные результаты по определению скорости разряда, полученных для соляных растворов в дистиллированной и технической воде и спиртовых растворах, приведены на рис. 5.8 а. Достаточно хорошее совпадение результатов, полученных в различных экспериментах, еще раз подтверждает вывод о том, что скорость распространения разряда при определенных значениях Яж / Re достигает максимальной величины.
Следует отметить, что правые ветви зависимостей представленных на рис. 5.7, соответствующие большим сопротивлениям жидкости (R K 4 Rs) качественно совпадают с результатами, которые следуют как из эмпирической формулы V Ik, так и из газодинамической модели. Действительно с ростом сопротивления жидкости, величина разрядного тока уменьшается, что приводит к уменьшению скорости на основании указанной формулы. С другой стороны, уменьшение тока, в газодинамической модели, приводит к увеличению времени испарения воды и образования концентрации пара, необходимой для последующего микропробоя. Таким образом, согласно этой модели увеличивается временной шаг дискретности между микропробоями, что приводит к увеличению полного времени движения разряда от катода к аноду и, как следствие, к уменьшению скорости его распространения.
В тоже время, зависимость скорости распространения разряда от сопротивления жидкости при R-ж 4 R , когда наблюдается уменьшение скорости с уменьшением сопротивления, в настоящий момент не может быть объяснено в рамках существующих моделей. Прежде всего, это связано с тем, что уменьшение сопротивления приводит к росту тока разряда, и согласно эмпирической формуле скорость должна расти, а эксперимент показывает, что она падает. Согласно же газодинамической модели, при увеличении тока, увеличивается скорость парообразования и уменьшается интервал времени между последовательными микропробоями. Это приводит к уменьшению времени движения разряда между электродами и к соответствующему возрастанию скорости, что так же не совпадает с экспериментом.
С другой стороны, на основании естественных физических рассмотрений можно предположить, что основными параметрами, определяющими скорость распространения разряда, являются величина разрядного тока и средняя напряженность электрического поля в его головной части. В связи с этим были рассмотрены зависимости этих параметров от сопротивления жидкости. На рис. 5.8 б представлены зависимости начальных значений тока разряда и средней напряженности электрического поля от отношения Яж / RQ. При этом начальный ток разряда определялся по соответствующим осциллограммам, а значение средней напряженности оценивалось из следующего соотношения Е„ = U„ / L, где Un — начальное падение напряжения на разряде, определяемое из осциллограмм, a L — расстояние между электродами.
Из рис. 5.8 б следует, что при малых значениях Кж I Ra величина начального тока падает, в то время как средняя напряженность электрического поля растет. Из этого можно сделать вывод, что при малых значениях Кж I Rg скорость распространения разряда определяется напряженностью электрического поля.
При больших же значениях R» / RG средняя напряженность электрического поля остается практически постоянной (в пределах средне статистической ошибки), а величина тока разряда падет. Следовательно, можно сделать вывод, что при больших значениях R K / Re скорость распространения разряда определяется разрядным током.
Таким образом, на основании полученных результатов можно предположить, что средняя скорость распространения разряда пропорциональна произведению начальных значений тока разряда (1н) и средней напряженности электрического поля (Е„) V 1н -ЕН. Однако, последнее выражение пропорционально отношению мощности, выделяемой в разрядном промежутке, к его длине, и его максимальное значение достигается при Rac= RG; В ТО время как в экспериментах максимум скорости наблюдается при Кж = 4 Ra
В этом случае можно предположить, что величина скорости определяется следующим соотношением: V = C-I„k-E„m, где С —коэффициент пропорциональности, а показатели степени кит могут принимать некоторые значения. В этом случае ток разряда равен: I„ = Uo / (RK + RG), где Uo — начальное напряжение в импульсе, а средняя начальная напряженность электрического поля: Ен = UH / L = 1„ Кж I L = Uo RA /((R K + Re) L). Тогда для определения скорости получаем следующее соотношение: V - С U0k+m Кжт I {{Кж + RG)k+m Lm), (7)
Для определения показателя степени к воспользуемся аппроксимацией выражения (7), полученной при условии Кж » Ro. В этом случае получаем, что скорость разряда определяется соотношением: V = С (U0k+m / Lm) R«"k, таким образом, при условии R » RG скорость разряда равна: V = Сг R Kk, где С2 = С (Uok+m / Lm), т.е. V = V(R»"k). Следовательно, коэффициент к можно определить из зависимости V от Кж, полученной экспериментально при условии при Кж » RG. Вид такой зависимость показан на рис. 5.9. Рис. 5.9. Зависимость средней скорости распространения разряда от сопротивления жидкости при Ыж » Re. Re = 1 кОм, Uo = 17 кВ, L = 5 см
Уравнение кривой, аппроксимирующей данную зависимость имеет вид: V = 3 104 R K0 8, откуда можно получить, что к = 0,8 и скорость распространения разряда V I0 8. Отметим, что в работах [73, 74] приводятся значения показателя степени k (0,5 - 0,7), что близко к полученной величине.
Таким образом, максимум скорости, определяемой выражением (7), соответствует условию Rx = (m / k) R6. В то же время, согласно экспериментальным данным, максимум скорости разряда регистрируется при Кж = 4 Re- Из этих двух условий следует, что m / к = 4, или m = 4 к, т.е. при к = 0,8 коэффициент m = 3,2.
