純水和液氮中金屬絲電爆炸與等離子體氣泡特性實(shí)驗(yàn)研究

馮 娟，白 潔，袁 偉，王 芝，韓若愚

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100081)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了對(duì)能源的需求，然而能源開(kāi)發(fā)造成的環(huán)境問(wèn)題不容小視，化石能源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)應(yīng)向節(jié)能減排、綠色發(fā)展方向邁進(jìn)[1-2]。液體中金屬絲電爆炸因放電穩(wěn)定性好、安全可控性高、能量成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高，可產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波，且不會(huì)造成污染，在化石能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，特別是在煤層氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣的開(kāi)采中取得成功應(yīng)用與推廣[3-5]，也在爆炸效應(yīng)模擬[6]、先進(jìn)加工成形方面受到關(guān)注[7]。

液體中金屬絲電爆炸是液相脈沖放電的一種，液相放電產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象包括沖擊波的釋放以及氣泡的生成。放電發(fā)生后會(huì)立即產(chǎn)生沖擊波，并且隨著電能的注入，主放電通道演化形成高溫高壓的氣泡，氣泡內(nèi)壓強(qiáng)變化導(dǎo)致氣泡的膨脹與收縮(氣泡脈動(dòng))，隨著氣泡的脈動(dòng)，會(huì)多次釋放壓力波[8-9]。與水間隙擊穿相比，金屬絲電爆炸能夠使能量更有效的沉積到負(fù)載上，具有更高的沖擊波能量轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)24%[10]。因此，以往研究水中金屬絲電爆炸的力學(xué)效應(yīng)多以沖擊波為主要研究對(duì)象，對(duì)氣泡脈動(dòng)動(dòng)力學(xué)關(guān)注較少。氣泡脈動(dòng)的本質(zhì)是氣泡內(nèi)能、機(jī)械能與勢(shì)能間的相互轉(zhuǎn)化，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為開(kāi)展了深入研究。Rayleigh[11]建立了不可壓縮理想流體的球形氣泡運(yùn)動(dòng)方程，首次對(duì)自由場(chǎng)氣泡動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)的研究。隨后，研究者們綜合考慮液體的黏性、表面張力等，提出了一系列修正模型，例如Rayleig-Plesset[12]模型、Gilmore[13]模型、Keller-Miksis[14]模型等。此外，對(duì)氣泡脈動(dòng)的影響因素以及氣泡能量開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究。Takada等[15]研究了液體溫度對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明，液體溫度接近沸點(diǎn)時(shí)，氣泡不再塌陷，此時(shí)氣泡動(dòng)力學(xué)行為受熱力學(xué)效應(yīng)主導(dǎo)。Zhang等[16]通過(guò)改變環(huán)境壓力系統(tǒng)地研究了浮力對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明，隨著浮力系數(shù)的增加，氣泡向上遷移顯著增加；在自由液面及剛性壁面附近，浮力與Bjerknes力共同對(duì)氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生影響。Liu等[17]分析了火花放電所產(chǎn)生氣泡在不同放電參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)行為，結(jié)果表明，火花誘導(dǎo)氣泡的液電效率為3.5%～7.5%。過(guò)去多采用超聲波[18]、激光[19]和脈沖放電[20]的方法來(lái)產(chǎn)生氣泡，金屬絲電爆炸氣泡研究較少，物理圖像不夠清楚。根據(jù)爆炸力學(xué)的觀點(diǎn)，爆炸做功一部分能量產(chǎn)生沖擊波，另一部分能量生成氣泡。研究電爆炸的氣泡，是分析電爆炸等離子體能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要環(huán)節(jié)。

此外，以往對(duì)于氣泡動(dòng)力學(xué)行為的研究多在常溫水介質(zhì)中開(kāi)展，低溫介質(zhì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究不夠充分。液氮作為一種低溫絕緣介質(zhì)，在超導(dǎo)變壓器、限流器等高溫超導(dǎo)器件中發(fā)揮著重要作用，高溫超導(dǎo)電力裝置中的核心部件通常通過(guò)液氮進(jìn)行冷卻[21]。但是在器件的運(yùn)作過(guò)程中，液氮會(huì)不可避免的由于部件溫度的升高而蒸發(fā)，形成氣泡。這些氣泡會(huì)降低超導(dǎo)器件的內(nèi)部擊穿電壓，從而嚴(yán)重影響了液氮的絕緣性能[22-23]。液氮等低溫介質(zhì)具有密度低、飽和蒸氣壓變化梯度較大的特點(diǎn)，空化過(guò)程中熱力學(xué)效應(yīng)顯著[15，24]。因此研究液氮介質(zhì)中氣泡動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)于進(jìn)一步揭示低溫介質(zhì)氣泡演化的影響機(jī)制具有重要意義，也為超導(dǎo)器件應(yīng)用中絕緣性的增強(qiáng)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

為此，筆者對(duì)水和液氮中金屬絲電爆炸放電特性以及氣泡脈動(dòng)特性開(kāi)展了研究，建立了可變壓力、介質(zhì)種類的液相介質(zhì)金屬絲電爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)電信號(hào)和高速陰影圖像，分析了系統(tǒng)儲(chǔ)能和金屬絲長(zhǎng)度對(duì)水中電爆炸放電特性和氣泡脈動(dòng)的影響。同時(shí)對(duì)比分析了低溫介質(zhì)液氮中放電特性和氣泡演化形態(tài)的差異。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

液體中金屬絲電爆炸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。本研究設(shè)計(jì)了可進(jìn)行低溫介質(zhì)液氮中電爆炸實(shí)驗(yàn)的真空腔體(30 cm×30 cm×30 cm)，腔體材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，內(nèi)部放置透明PET材質(zhì)容器(20 cm×14 cm×8 cm)盛放液氮。腔體內(nèi)壁以及底部墊有隔熱材料，以保護(hù)腔體并減少熱泄漏。實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行抽氣處理，以去除腔體內(nèi)的水蒸氣，避免低溫造成水蒸氣冷凝結(jié)霜而影響觀測(cè)。抽氣后打開(kāi)進(jìn)液閥，將液氮注入實(shí)驗(yàn)容器中，待容器中注滿液氮時(shí)，關(guān)閉進(jìn)液閥停止加入液氮。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)抽氣泵調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的氣壓。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持常溫水中電爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用液體介質(zhì)為蒸餾水(電導(dǎo)率為1.1 μS/cm，溫度291 K)和液氮(溫度77 K)。實(shí)驗(yàn)均在大氣壓環(huán)境下進(jìn)行。

1—Vacuum chamber；2—High-speed camera； 3—LED lamp；4—Oscilloscope；5—Computer；6—Vacuum pump；7—Voltage probe；8—Spark switch；9—Current probe；10—Liquid inlet channel圖1 液體中金屬絲電爆炸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device for electrical explosion of metal wires in liquids

脈沖驅(qū)動(dòng)源由直流高壓電源與脈沖電容器組成，通過(guò)直流電源為電容器充電。由式(1)計(jì)算得到所需儲(chǔ)能下的充電電壓(U1，V)：

(1)

式中：W為初始系統(tǒng)儲(chǔ)能，J；C為脈沖電容器電容值(0.2 μF)。當(dāng)電容器被充電到所需電壓，觸發(fā)火花間隙開(kāi)關(guān)，脈沖電流流過(guò)金屬絲負(fù)載并驅(qū)動(dòng)電爆炸。實(shí)驗(yàn)所用金屬絲為直徑50 μm的銅絲，長(zhǎng)度可調(diào)。

實(shí)驗(yàn)中的診斷設(shè)備如下，分別用高壓探頭P6015A(75 MHz)和電流線圈Pearson4997(15 MHz)測(cè)量放電電壓(U2)和電流(I)。通過(guò)高速相機(jī)(Phantom VEO)拍攝電爆炸過(guò)程中的時(shí)空分辨陰影圖像，其中單幀曝光時(shí)間為 0.81 μs，兩幀間隔為 12.99 μs(77 000 fps)。電壓、電流波形及相機(jī)反饋信號(hào)通過(guò)數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4104B(1 GHz))記錄。

負(fù)載的阻性電壓(UR，V)、電功率(P，W)、沉積能量(E，J)由式(2)～(4)計(jì)算：

(2)

P=URI

(3)

(4)

式中：LS為負(fù)載結(jié)構(gòu)的電感，H；I為測(cè)得的電流，A；t為電爆炸各個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間，μs。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣泡脈動(dòng)基本過(guò)程

初始系統(tǒng)儲(chǔ)能2.5 J下(充電電壓為5 kV)，直徑50 μm、長(zhǎng)1 cm的銅絲水中電爆炸的氣泡脈動(dòng)過(guò)程如圖2(a)所示。其中每幅圖左上方的數(shù)字代表幀數(shù)，左下方給出了相應(yīng)的拍攝時(shí)刻。

脈沖電流通過(guò)金屬絲后，金屬絲在焦耳加熱作用下發(fā)生急劇相變，擊穿后形成等離子體通道。相爆后由于金屬絲的迅速膨脹，產(chǎn)生了強(qiáng)沖擊波，在擊穿后與爆炸產(chǎn)物分離并向遠(yuǎn)處傳播，如圖2(a)中第1幀所示。沖擊波抵達(dá)壁面或液面后被反射，反射波繼續(xù)在水中傳播，如第2幀所示。隨后，放電通道繼續(xù)膨脹，放電強(qiáng)度逐漸減弱。在放電通道邊界開(kāi)始觀察到暗的汽-液界面。

由于氣泡初始內(nèi)部壓力大于外部壓力，氣泡開(kāi)始膨脹，氣泡體積逐漸增大，壓力減小。氣泡從最初的圓柱形向球形演變，然而受到電極等剛性邊界的影響，演變過(guò)程呈現(xiàn)更為復(fù)雜的形態(tài)，如圖2(a)所示。內(nèi)外壓平衡后，由于慣性，氣泡膨脹不會(huì)立即停止，直到膨脹速度降為0后，氣泡開(kāi)始收縮，此時(shí)氣泡內(nèi)部壓力小于外部壓力。如圖中第76幀所示，儲(chǔ)能2.5 J下氣泡最大徑向直徑達(dá)到了約21.5 mm。在收縮過(guò)程中，氣泡內(nèi)部壓力逐漸增大，但始終小于外部壓力。至氣泡收縮到最小體積，第一次脈動(dòng)結(jié)束，此時(shí)伴隨著二次沖擊波的產(chǎn)生，如圖中第135幀所示。隨后，氣泡以不規(guī)則形狀繼續(xù)膨脹，若能量充足，則會(huì)產(chǎn)生多次脈動(dòng)過(guò)程。本研究中，初始系統(tǒng)儲(chǔ)能為2.5 J時(shí)，氣泡的二次脈動(dòng)過(guò)程不明顯。圖2(b)給出了初始系統(tǒng)儲(chǔ)能為5.0 J時(shí)氣泡在第二脈動(dòng)周期的脈動(dòng)演化過(guò)程，脈動(dòng)結(jié)束時(shí)再次產(chǎn)生了沖擊波。

圖3展示了儲(chǔ)能2.5 J下水中銅絲電爆炸氣泡第一脈動(dòng)周期內(nèi)的徑向半徑和汽-液界面速度曲線。定義指向氣泡外部為汽-液界面速度的正方向。由圖3可知，在膨脹階段初期，由于氣泡內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于外部水的壓力，膨脹速度大，氣泡半徑迅速增加。隨著氣泡的膨脹，氣泡內(nèi)外壓差減小，氣泡膨脹速度減緩。氣泡達(dá)到最大半徑時(shí)，速度降為0 m/s。接著氣泡進(jìn)入收縮階段，收縮速度逐漸增大。

圖3 儲(chǔ)能2.5 J下水中氣泡徑向半徑及速度變化曲線Fig.3 Radial radius and velocity curve of bubbles in water under stored energy 2.5 J

2.2 系統(tǒng)儲(chǔ)能對(duì)放電特性及氣泡脈動(dòng)的影響

系統(tǒng)儲(chǔ)能(充電電壓)對(duì)電爆炸特性影響顯著，不同初始系統(tǒng)儲(chǔ)能下水中銅絲(直徑50 μm、長(zhǎng)1 cm)電爆炸的電流以及沉積能量波形圖如圖4所示。隨著儲(chǔ)能從2 J增加至10 J，電流峰值逐漸增大，從約1.13 kA增大到約1.86 kA。峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，從約0.8 μs提前至約0.5 μs。相爆前平均電流上升速率逐漸增大，從約1.37 A/ns增大到約3.29 A/ns。當(dāng)初始儲(chǔ)能為2 J時(shí)，電流降至0后截止，此時(shí)由于初始儲(chǔ)存能量處于較低水平，大部分用于金屬絲的相變過(guò)程，金屬蒸汽處于低電離狀態(tài)，因此等離子體放電過(guò)程發(fā)展不充分，放電模式為非周期型放電。隨著儲(chǔ)能增加，電流開(kāi)始震蕩，放電轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛头烹娔Ｊ?，放電通道形成后，多余的?chǔ)能在后續(xù)震蕩過(guò)程中耗散。此外，隨著儲(chǔ)能增加，沉積能量不斷增大。沉積能量曲線斜率代表了能量沉積速率，即電功率，由圖4可知，增加系統(tǒng)儲(chǔ)能，沉積能量曲線最大斜率不斷增大，且最大斜率出現(xiàn)時(shí)間提前，說(shuō)明放電功率峰值隨系統(tǒng)儲(chǔ)能的增加而增大，功率峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。

Cu wire size：diameter 50 μm，length 1 cm圖4 不同儲(chǔ)能下水中銅絲電爆炸放電波形圖Fig.4 Discharge waveforms during electrical explosion of copper wire in water under different stored energy

根據(jù)拍攝的氣泡脈動(dòng)圖像，對(duì)不同儲(chǔ)能下的氣泡最大徑向膨脹半徑(Rm，mm)、第一脈動(dòng)周期(T，ms)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并按照式(5)、式(6)計(jì)算了氣泡能量(EP，J)與氣泡能量效率(η)，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 最大徑向半徑(Rm)與第一脈動(dòng)周期(T)隨儲(chǔ)能的變化曲線Fig.5 Variation curves of maximum radial radius (Rm)and first pulsation period (T)with stored energy

圖6 氣泡能量(EP)與能量效率(η)隨儲(chǔ)能的變化曲線Fig.6 Variation curves of bubble energy (EP)and energy efficiency (η)with stored energy

EP=Vmax(pL-pV)

(5)

(6)

式中：V為氣泡體積，m3；pL為液體的靜壓力，Pa；pV為環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，Pa。氣泡能量效率η為氣泡能量EP與放電能量Edis(系統(tǒng)儲(chǔ)能)的比值。相應(yīng)參數(shù)從NIST數(shù)據(jù)庫(kù)得到[25]。

從圖5、圖6可見(jiàn)：將系統(tǒng)儲(chǔ)能從2 J增大至10 J，氣泡最大徑向半徑從約9.4 mm增大至約18.6 mm；第一脈動(dòng)周期從約1.6 ms增長(zhǎng)至約2.6 ms；氣泡能量從約0.4 J增大至約2.3 J。增大儲(chǔ)能，氣泡最大徑向膨脹半徑、脈動(dòng)周期以及氣泡能量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。氣泡脈動(dòng)主要能量來(lái)源為放電過(guò)程中的沉積能量，增大儲(chǔ)能，沉積能量隨之增大，為氣泡提供了更大的內(nèi)能，因此氣泡膨脹體積增大、周期時(shí)間增長(zhǎng)。氣泡能量效率相對(duì)穩(wěn)定，為18%～25%。

2.3 負(fù)載長(zhǎng)度對(duì)放電特性及氣泡脈動(dòng)的影響

圖7給出了儲(chǔ)能5.0 J下不同長(zhǎng)度銅絲在水中電爆炸的放電波形。由圖7可以看出，隨著銅絲長(zhǎng)度的增加，電流峰值減小。當(dāng)銅絲長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，由于汽化后所剩的系統(tǒng)儲(chǔ)能較小，電離程度弱，無(wú)法立即擊穿形成等離子體放電通道，出現(xiàn)電流間歇，隨著金屬蒸汽的擴(kuò)散和冷凝，電子平均自由程增加，最終形成二次擊穿，這種放電為電流暫停放電模式。在電流間歇過(guò)程中，能量沉積緩慢，二次擊穿形成震蕩電流后，沉積能量會(huì)再次增加。繼續(xù)增加銅絲長(zhǎng)度至2.5 cm，電流間歇時(shí)間加長(zhǎng)。

Cu wire size：diameter 50 μm，length 1.0—2.5 cm圖7 儲(chǔ)能5.0 J下不同長(zhǎng)度銅絲水中電爆炸放電波形圖Fig.7 Discharge waveforms during electrical explosion of copper wire with different lengths in water under stored energy 5.0 J

銅絲長(zhǎng)度對(duì)氣泡演化形態(tài)影響較大，圖8展示了儲(chǔ)能5.0 J下不同長(zhǎng)度銅絲放電后的氣泡脈動(dòng)演化形貌?？梢钥吹?，在相同系統(tǒng)儲(chǔ)能下，隨著銅絲長(zhǎng)度的增加(1.0～2.5 cm)，由于能量不足而無(wú)法演化至球形，氣泡膨脹至最大體積時(shí)的徑向半徑逐漸縮短(9.3～15.2 mm)，氣泡從徑向半徑較大的橢球形變?yōu)檩S向長(zhǎng)度較長(zhǎng)的圓柱形。此外，隨著銅絲長(zhǎng)度增加，第一脈動(dòng)周期時(shí)間略微縮短。

2.4 液氮中放電特性及氣泡脈動(dòng)過(guò)程

研究了液氮中銅絲電爆炸放電特性，不同初始系統(tǒng)儲(chǔ)能下，直徑為50 μm、長(zhǎng)1 cm的銅絲液氮中電爆炸的電流和沉積能量波形如圖9所示。由圖9可以看出，與水中電爆炸相似，隨著儲(chǔ)能的增加，電流峰值逐漸增大，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前，電流上升速率逐漸增大，沉積能量隨著電壓電流的增大而增加。同樣出現(xiàn)了放電模式的轉(zhuǎn)變，當(dāng)初始儲(chǔ)能為2.5 J時(shí)，放電模式為非周期型放電，隨著儲(chǔ)能的增加，放電轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛头烹娔Ｊ健?/p>

Cu wire size：diameter 50 μm，length 1 cm圖9 不同儲(chǔ)能下液氮中銅絲電爆炸放電波形圖Fig.9 Discharge waveforms during electrical explosion of copper wire in liquid nitrogen under different energy storages

統(tǒng)計(jì)了儲(chǔ)能2.5～20.0 J下液氮和水中銅絲(直徑50 μm、長(zhǎng)1 cm)電爆炸電壓、電流、電阻、電功率峰值和沉積能量，如表1所示。由表1可以看出：液氮中電爆炸電壓峰值以及電功率峰值更高，其中電壓峰值平均高約6%，電功率峰值平均高約14%；電阻峰值更小，比水中小約3%(儲(chǔ)能2.5 J下，由于能量較低，2種介質(zhì)中均未出現(xiàn)電阻最大值，金屬蒸汽處于低電離狀態(tài))，因此，相比于水介質(zhì)，液氮介質(zhì)更有利于爆炸產(chǎn)物的電離與擊穿。

表1 液氮和水中電爆炸電學(xué)參數(shù)比較Table 1 Comparison of electrical parameters of electrical explosion in liquid nitrogen and water

圖10為儲(chǔ)能2.5 J下液氮中銅絲電爆炸放電及氣泡脈動(dòng)圖像，圖11給出了徑向半徑和汽-液界面速度曲線。由圖10和圖11可以看出：0～1160 μs為氣泡膨脹階段，最大徑向膨脹半徑約12.6 mm；2330 μs時(shí)氣泡收縮至最小體積，此時(shí)徑向半徑約為10.4 mm。在放電初期，同樣觀測(cè)到了沖擊波和反射沖擊波，如圖10中第2、4、6幀所示。在氣泡脈動(dòng)過(guò)程中，放電主氣泡周圍產(chǎn)生了大量小泡，此現(xiàn)象在水介質(zhì)中同樣存在，然而液氮中產(chǎn)生的小泡不易潰滅，伴隨整個(gè)脈動(dòng)過(guò)程。

The number in the upper left represents the number of frame taken，and the bottom left represents the exposure start time of each frame. Cu wire size：diameter 50 μm，length 1 cm圖10 儲(chǔ)能2.5 J下液氮中氣泡脈動(dòng)過(guò)程Fig.10 Bubble pulsation process in liquid nitrogen under stored energy 2.5 J

圖11 2.5 J儲(chǔ)能下液氮中氣泡徑向半徑及速度變化曲線Fig.11 Radial radius and velocity curve of bubbles in liquid nitrogen under 2.5 J stored energy

與儲(chǔ)能2.5 J下水中氣泡脈動(dòng)過(guò)程相比，液氮?dú)馀菝}動(dòng)周期更長(zhǎng)，比水中氣泡第一脈動(dòng)周期長(zhǎng)約0.6 ms；液氮?dú)馀菖蛎浀淖畲篌w積更大，最大徑向半徑約為水中氣泡的1.17倍。在收縮階段，液氮?dú)馀菔湛s速度慢，氣泡坍塌程度低，最小徑向收縮半徑是水中氣泡的1.53倍。

液氮?dú)馀菖c水中氣泡在收縮階段表現(xiàn)出明顯差異，可以通過(guò)液體慣性力和傳熱效應(yīng)2種主要影響機(jī)制來(lái)進(jìn)行分析。對(duì)于常溫水介質(zhì)，氣泡內(nèi)部飽和蒸氣壓較低，內(nèi)外壓力差(pL-pV)大，因此液體慣性力在氣泡收縮階段起主導(dǎo)作用。而液氮?dú)馀輧?nèi)部飽和蒸氣壓大，氣泡內(nèi)外壓差相對(duì)較小，因此液體慣性力較弱，熱傳導(dǎo)在液氮?dú)馀菔湛s過(guò)程中起主導(dǎo)作用。與Takada等[15]、Tomita等[24-25]的研究結(jié)果類似。

3 結(jié) 論

基于液相介質(zhì)中焦耳量級(jí)能量下金屬絲電爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了常溫純水(蒸餾水)和低溫液氮介質(zhì)中的銅絲電爆炸放電特性及氣泡脈動(dòng)過(guò)程。得到主要結(jié)論如下：

(1)金屬絲電爆炸放電特性受系統(tǒng)儲(chǔ)能、負(fù)載規(guī)格、介質(zhì)環(huán)境等因素的影響。改變系統(tǒng)儲(chǔ)能或金屬絲長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致放電模式改變。液氮介質(zhì)與常溫純水中放電差別主要體現(xiàn)在相同的儲(chǔ)能和金屬絲規(guī)格條件下，液氮中放電的電阻峰值更小，電壓、功率峰值更大，能夠促進(jìn)電離與擊穿。

(2)液體中金屬絲電爆炸過(guò)程伴隨著氣泡的脈動(dòng)。放電結(jié)束后，等離子體氣泡從圓柱形逐漸向球形演化。對(duì)于直徑50 μm、長(zhǎng)度1 cm的銅絲純水中電爆炸，將系統(tǒng)儲(chǔ)能從2 J增大至10 J，氣泡最大徑向半徑從約9.4 mm增大至約18.6 mm，第一脈動(dòng)周期從約1.6 ms增長(zhǎng)至約2.6 ms，氣泡能量從約0.4 J增大至約2.3 J，氣泡能量效率受放電能量的影響較小，為18%～25%。增加金屬絲長(zhǎng)度，氣泡由于能量不足而無(wú)法演化至球形，最大徑向半徑逐漸縮短。

(3)在相同的儲(chǔ)能和金屬絲規(guī)格下，液氮?dú)馀菝}動(dòng)周期更長(zhǎng)，膨脹體積更大。儲(chǔ)能為2.5 J時(shí)，液氮?dú)馀莸谝幻}動(dòng)周期比純水中增長(zhǎng)約0.6 ms，最大徑向半徑約為純水中氣泡的1.17倍。液氮?dú)馀菔湛s過(guò)程主要由熱傳導(dǎo)主導(dǎo)，收縮速度慢，儲(chǔ)能2.5 J下液氮?dú)馀葑钚∈湛s半徑約為純水中氣泡的1.53倍。