水下多針電極微秒脈沖流光放電特性*

楊雙越 溫小瓊 楊元天 李霄

(大連理工大學(xué)物理學(xué)院,大連 116024)

多針電極結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)大體積水下放電的基礎(chǔ)性電極結(jié)構(gòu),研究其放電基本特性對其他大體積水下放電電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要參考意義.本文構(gòu)建了一個可安裝21 根針的多針電極,利用四分幅超高速相機(jī)研究了單個脈沖放電過程中可能放電的針電極數(shù)目以及電極陣列邊緣和內(nèi)側(cè)針電極放電形態(tài)的差異;采用COMSOL 軟件模擬計算了多針電極結(jié)構(gòu)的電場分布,討論了電場分布對多針電極放電的影響,研究了多針電極結(jié)構(gòu)的放電能量效率.結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在單個脈沖放電過程中,21 根針電極不是同時發(fā)生放電的,最大放電針電極數(shù)目隨電壓和針針間距的增大而增加.在同一個脈沖放電過程中,位于電極陣列邊緣的針電極相比于位于陣列內(nèi)側(cè)的針電極產(chǎn)生的流光絲較長且偏離針電極軸線的偏角相對較大,這主要是針電極之間電場相互疊加干擾引起的.針針間距越小,針電極之間電場的相互疊加干擾越大,陣列邊緣與內(nèi)側(cè)電極放電形態(tài)的差異越大,放電能量效率越低.

1 引言

水下流光放電能在水中產(chǎn)生沖擊波、紫外光和多種自由基(OH,H 和O)以及分子活性種(H2O2,O2,H2和O3)[1,2],近年來受到環(huán)保領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,在降解廢水中有機(jī)物[3-6]和飲用水殺菌消毒[7-11]等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.水下流光放電直接在水中形成OH,H2O2,O,O2和O3氧化活性種,可以免去外加氧化劑的運(yùn)輸和存儲環(huán)節(jié).

一般而言,要在水中產(chǎn)生高壓脈沖流光放電需要大約1 MV/cm 高電場[12,13].實驗研究中往往采用針-板電極結(jié)構(gòu),在針電極尖端附近形成約1 MV/cm 的高電場產(chǎn)生水下流光放電.水下流光放電在針電極附近形成數(shù)根流光絲,依據(jù)流光絲在水中的傳播速度可以分為兩種放電模式[12,14]: 傳播速度約為2 km/s 的初級流光(primary streamer,又稱為灌木狀流光或第一模式流光)和傳播速度約為30 km/s 二級流光(second streamer,又稱為樹枝狀流光或第二模式流光).初級流光的發(fā)光很微弱,很難獲得其發(fā)光圖像.基于陰影成像技術(shù)的觀測研究發(fā)現(xiàn),初級流光從針尖附近預(yù)先形成的氣泡[15]或氣泡團(tuán)簇的小突起[16]上產(chǎn)生,具有半徑約為500 μm 的半球形結(jié)構(gòu),其中包含很多徑向氣態(tài)細(xì)絲[12,16].二級流光起源于初級流光形成的許多氣態(tài)細(xì)絲中的某一根[17],呈樹枝結(jié)構(gòu).二級流光在水中逐步傳播,流光頭部的初始壓力可達(dá)數(shù)百兆帕,每向前傳播一步從流光頭部發(fā)射一個球形沖擊波[12,18,19].二級流光在達(dá)到一定長度后在水中停止傳播,根據(jù)實驗條件的不同,二級流光絲的最大長度可達(dá)數(shù)毫米或數(shù)厘米[20,21].隨后二級流光的發(fā)光強(qiáng)度從流光頭部向針電極尖端逐漸衰減直至發(fā)光完全消失,但放電形成的氣態(tài)通道在放電結(jié)束后仍在水中保留約80 μs[22].

關(guān)于產(chǎn)生水下流光放電的物理機(jī)制,自20 世紀(jì)20 年代至今一直未能達(dá)成普遍共識[23-25],主要有兩種相互爭論的理論: 電子碰撞電離理論和氣泡理論.電子碰撞電離理論認(rèn)為液體(水或有機(jī)油等)中的流光放電與氣體流光放電類似,是由液體中的電子碰撞電離過程直接產(chǎn)生.但是,液體的密度是氣體密度的千倍以上,電子很難在一個自由程中獲得足夠的能量使液體分子(如水分子)電離,模擬計算的研究結(jié)果表明: 在擊穿電場下,水中的α 電離系數(shù)幾乎為零[26,27].氣泡理論認(rèn)為,放電之前針電極附近強(qiáng)電場區(qū)域內(nèi)的液體中形成一個“氣泡”(或低密度區(qū)域),在這個預(yù)先形成的“氣泡”中產(chǎn)生電子雪崩引發(fā)液體中的流光放電.氣泡理論面臨的主要爭議點在于“氣泡”是如何產(chǎn)生的,有人認(rèn)為“氣泡”通過焦耳加熱過程產(chǎn)生[12,15],有人認(rèn)為水中溶解有微米或亞微米氣泡[28],也有人主張針尖附近的機(jī)電過程形成微空洞[29].2011 年,Starikovskiy 等[30]研究了水下極短納秒脈沖(半峰寬＜20 ns)放電起始過程,未發(fā)現(xiàn)“氣泡”的產(chǎn)生,極力主張放電由直接發(fā)生在水中的電子碰撞電離引起的.2013 年,Marinov 等[31]在十分相似的實驗條件下觀測到了“氣泡”的產(chǎn)生,認(rèn)為放電由針尖附近預(yù)先形成的“氣泡”引起.目前兩種理論的爭議仍然在持續(xù),水下極短納秒脈沖放電傾向于電子碰撞電離理論,而水下微秒脈沖放電傾向于氣泡理論[23,24].

從應(yīng)用的角度出發(fā),研究者們關(guān)心的一個重要問題是如何產(chǎn)生大體積的水下放電等離子體以滿足實際工業(yè)化應(yīng)用需求.單根針電極水下流光放電產(chǎn)生的等離子體局限在針尖附近,與水相互作用的體積很小,制約了水下流光放電在水處理方面的工業(yè)化應(yīng)用.為了增大水下放電等離子體的作用體積,研究者們開發(fā)了多種電極結(jié)構(gòu),如絲-筒電極結(jié)構(gòu)[32-34]、棒-筒電極結(jié)構(gòu)[35]、環(huán)-圓筒電極結(jié)構(gòu)[36-38]、多針電極結(jié)構(gòu)[2,3,39]和覆蓋絕緣介質(zhì)層的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)[40-44]等.盡管這些電極結(jié)構(gòu)的形式不同,但核心思路是一致的,盡可能地在水中形成一系列局部高電場區(qū)域,通過增加放電點位數(shù)量來擴(kuò)大水下放電等離子體與水相互作用體積范圍.基于上述思路,多針電極結(jié)構(gòu)是一種重要的基礎(chǔ)性電極結(jié)構(gòu)形式,其特點是放電位點確定,便于研究水下多位點放電的特性,可以為其他電極結(jié)構(gòu)的開發(fā)提供重要基礎(chǔ)性參考.過去的研究多側(cè)重于多針電極結(jié)構(gòu)對水中有機(jī)污染物的處理效果[2,3,45],而對其放電基本特性本身幾乎沒有涉及.

本文構(gòu)建了一個可安裝21 根針的多針電極研究水下多針電極結(jié)構(gòu)的放電特性.利用四分幅超高速相機(jī)研究單個脈沖放電過程中可能放電的針電極數(shù)目以及電極陣列邊緣與內(nèi)側(cè)針電極放電形態(tài)的差異;基于放電電壓電流波形研究水下多針電極的放電能量效率;采用COMSOL 軟件模擬計算多針電極的電場分布,研究電場分布對水下多針電極放電的影響.

2 實驗裝置與方法

本文構(gòu)建的可安裝21 根針的多針電極結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.以相鄰兩針等間距的方式將21 根針安裝固定在電極圓盤上,實驗中相鄰兩針的間距D分別設(shè)定為5,10,15 和20 mm,在電極圓盤的內(nèi)部各針尖并聯(lián)連接.電極圓盤采用尼龍材料制作,圓盤底面直徑為105 mm,厚度為45 mm.針電極采用直徑為1 mm 的不銹鋼絲制作,其中一端用砂紙手工打磨、拋光為尖錐狀.打磨好的21 根針電極的針尖曲率半徑總體平均值為(12±2) μm.

圖1 (a) 多針電極結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 實驗裝置圖Fig.1.(a) Schematic of the multi-needle electrode structure;(b) experimental setup.

圖1(b)是本研究的實驗裝置示意圖.放電水槽由5 mm 厚的有機(jī)玻璃制成,尺寸為20 cm×20 cm×20 cm.多針電極圓盤固定安裝在絕緣支架上,接地陰極是直徑為10 cm 的圓形銅片,固定在電極圓盤背后的水槽壁上.水槽中分別裝滿電導(dǎo)率為60,120,240 和480 μS/cm 的水.不同電導(dǎo)率的水是通過向初始電導(dǎo)率0.1 μS/cm 的去離子水中加入不同質(zhì)量的高純度NaCl 制備而成.利用微秒脈沖高壓電源向多針電極施加脈沖正高壓產(chǎn)生水下流光放電.正高壓脈沖的脈寬為3 μs,電壓幅值分別為20,24,28,32,36 和40 kV,脈沖上升沿90 ns.采用高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Pearson 6585)分別探測放電過程中的電壓和電流波形,用示波器(Yokogawa DLM2054)存儲記錄探測到的波形.

采用四分幅超高速相機(jī)(PCO HSFC-Pro)分別從多針電極陣列的正面和側(cè)面拍攝單一脈沖放電過程中多針電極放電的時間演化發(fā)光圖像.高壓脈沖電源產(chǎn)生高壓脈沖時輸出一個光信號,將該信號輸入四分幅超高速相機(jī)觸發(fā)相機(jī),通過調(diào)節(jié)相機(jī)的延遲時間確保相機(jī)快門和高壓脈沖放電同步.四分幅超高速相機(jī)啟動快門拍攝時向外提供一個門信號,將這個門信號接入數(shù)字存儲示波器觸發(fā)示波器,記錄與相機(jī)拍攝圖片對應(yīng)的放電電壓、電流波形以及相機(jī)門信號的波形.根據(jù)同步記錄的相機(jī)門信號確定相機(jī)每一幅圖像相對于電壓脈沖起始點的時間.圖2(a)是實驗中記錄的電壓電流波形以及相機(jī)門信號的示例.

圖2 (a)放電電壓、電流波形及相機(jī)門信號示例;(b)相機(jī)時間設(shè)定示例Fig.2.(a) An example of the waveform of the discharge voltage and current,and the camera gating signal;(b) example of camera time settings.

在拍攝多針電極陣列正面的放電發(fā)光圖像時,每個實驗條件下四分幅超高速相機(jī)用兩種時間設(shè)定分別拍攝了單個脈沖放電過程中不同時間段的演化圖像.每個時段包含4 幅時間演化圖像,具體的時間設(shè)定如圖2(b)所示,其中時段A 中相鄰兩幅圖像的時間間隔為40 ns,時段B 中相鄰兩幅圖像的時間間隔為160 ns,時段A 和時段B 的曝光時間相同,根據(jù)具體的實驗條件在10—40 ns 范圍內(nèi)調(diào)整.

3 結(jié)果與討論

3.1 多針電極放電的時間演化圖像

采用四分幅超高速相機(jī)從多針電極陣列的正面,在同一個脈沖放電過程中依次拍攝了四幅多針電極放電的時間演化圖像.每一個實驗條件下(針針間距、水電導(dǎo)率和電壓)用兩種時間設(shè)定分別拍攝了30 個脈沖的放電圖像.在各種條件下獲得的圖像總數(shù)為4×4×6×2×30×4 幅.圖3 是針針間距15 mm、水電導(dǎo)率60 μS/cm 和電壓28 kV 條件下多針電極放電時間演化圖像示例.圖3(a),(b)分別對應(yīng)兩個不同的放電脈沖,其中圖3(a)的曝光時間40 ns,時間間隔40 ns;圖3(b)的曝光時間40 ns,時間間隔160 ns.從各實驗條件下獲得的大量放電圖像中發(fā)現(xiàn),在同一個電壓脈沖過程中,各個針電極不是同時放電的,有的早有的晚;不同脈沖放電過程中放電針電極的數(shù)目不盡相同,放電針電極隨機(jī)分布.

圖3 多針電極放電時間演化圖像(15 mm,60 μS/cm,28 kV) (a)曝光時間40 ns,相鄰兩幅圖像的時間間隔40 ns;(b)曝光時間40 ns,相鄰兩幅圖像的時間間隔160 ns,圖中所標(biāo)的時間是相對高壓脈沖起始點的時間Fig.3.Temporal evolution of multi-needle underwater streamer discharge (15 mm,60 μS/cm,28 kV): (a) 40 ns exposure,40 ns interval;(b) 40 ns exposure,160 ns interval.The time marked in the figure is the time to the start of the high-voltage pulse.

3.2 單一脈沖放電過程中的放電針電極數(shù)目

基于各個實驗條件下獲得的多針電極陣列正面的時間演化放電圖像,統(tǒng)計不同針針間距、水電導(dǎo)率和外加電壓條件下,單一脈沖放電過程中的放電針電極數(shù)目隨時間的變化,結(jié)果如圖4 所示.不管針針間距、水電導(dǎo)率和外加電壓如何變化,在單個脈沖放電過程中針電極都不是同時放電的,放電針電極的數(shù)目隨時間逐漸增多.在較低電壓條件下(如24 kV)無法實現(xiàn)21 根針電極全部放電,放電針電極數(shù)目達(dá)到某個最大數(shù)目后不再增加.針針間距為5 mm 時,放電針電極數(shù)目增大到最大(＜ 21)后逐漸減少.針針間距為10,15,20 mm時,放電針電極數(shù)目增加到某個值(≤ 21)后保持不變.從圖4 還可以看出,多針電極放電延遲的趨勢,即在相同針針間距和水電導(dǎo)率條件下,外加電壓越大,放電延遲時間越短,達(dá)到最大放電針電極數(shù)目所用的時間也變短;在水電導(dǎo)率和外加電壓相同的條件下,針針間距越大,達(dá)到最大放電針電極數(shù)目所用的時間越短.

圖4 單個脈沖放電過程中不同針針間距D、水電導(dǎo)率和外加電壓下放電針電極數(shù)目隨時間的變化 (a) D=5 mm;(b) D=10 mm;(c) D=15 mm;(d) D=20 mm.圖(b),(c),(d)和圖(a)圖例相同,灰色虛線表示21 根針電極Fig.4.Temporal evolution of the number of discharged needle electrodes during one discharge pulse at different needle spacings,water conductivities and applied voltages: (a) D=5 mm;(b) D=10 mm;(c) D=15 mm;(d) D=20 mm.Legends of panels (b),(c) and (d) are the same as that denoted in panel (a),and the gray dashed line indicates 21 needle electrodes.

為了評估針針間距、水電導(dǎo)率和外加電壓對放電針電極數(shù)目的影響,采用單個脈沖放電過程中可能出現(xiàn)的最大放電針電極數(shù)目(≤ 21)作為評價指標(biāo).圖5 繪制了不同針針間距、水電導(dǎo)率和外加電壓條件下得到的單個脈沖放電過程中可能出現(xiàn)的最大放電針電極數(shù)目.結(jié)果表明,外加電壓越高,單個脈沖放電過程中可能的最大放電針電極數(shù)目越大,但是增大的趨勢較為緩慢.水電導(dǎo)率對可能的最大放電針電極數(shù)目的影響不顯著.針針間距對可能的最大放電針電極數(shù)目影響很大,總體趨勢而言,針針間距越大,單個脈沖放電過程中可能的最大放電針電極數(shù)目越大.針針間距5 mm 時,無論水電導(dǎo)率和外加電壓如何變化,21 根針電極都無法全部放電,如在40 kV 的電壓下單個脈沖放電過程中最大放電針電極數(shù)目約10 根左右,只有大約一半的針電極能夠放電.針針間距10 mm 時,只有當(dāng)電壓40 kV 以上才可能實現(xiàn)21 根針電極全部放電.針針間距增大到15,20 mm 時,電壓28 kV 以上可能實現(xiàn)21 根針電極全部放電.

圖5 針針間距、水電導(dǎo)率和外加電壓對單個脈沖放電過程中最大放電針電極數(shù)目的影響 (a) 水電導(dǎo)率60 μS/cm;(b) 水電導(dǎo)率120 μS/cm;(c) 水電導(dǎo)率240 μS/cm;(d) 水電導(dǎo)率480 μS/cmFig.5.Influence of the needle spacing,the water conductivity and the applied voltage on the maximum number of discharged needles: (a) Water conductivity is 60 μS/cm;(b) 120 μS/cm;(c) 240 μS/cm;(d) 480 μS/cm.

圖5 的結(jié)果對水下流光放電多針電極反應(yīng)器的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.多針電極結(jié)構(gòu)的根本目的是擴(kuò)大水中放電等離子體作用體積范圍,圖5表明除了考慮針電極的數(shù)量,還必須考慮針電極的間距和外加電壓,確保實現(xiàn)全部針電極都能放電,才能充分達(dá)成擴(kuò)大水中放電等離子體作用體積范圍的目的.

3.3 多針電極陣列中邊緣電極與內(nèi)側(cè)電極放電形態(tài)差異

通過觀察不同條件下獲得的多針電極陣列正面放電圖像,發(fā)現(xiàn)在同一個脈沖放電過程中,位于邊緣的針電極與位于內(nèi)側(cè)的針電極在放電形態(tài)上顯著不同.圖6(a)為40 kV 和240 μS/cm 時,不同針針間距條件下放電針電極數(shù)目達(dá)到最大時的發(fā)光圖像.可以明顯看到,邊緣針電極放電的發(fā)光強(qiáng)度明顯大于內(nèi)側(cè)針電極放電的發(fā)光強(qiáng)度;邊緣針電極放電可以分辨出流光絲,并且流光絲都呈現(xiàn)朝外發(fā)展的態(tài)勢,而內(nèi)側(cè)針電極表現(xiàn)為光斑樣式,且光斑形態(tài)非圓形,各針電極光斑的偏向各不相同.

圖6 (a)不同針針間距下多針電極陣列中邊緣電極與內(nèi)側(cè)電極放電形態(tài)差異(40 kV,240 μS/cm);(b)不同針針間距下多針電極陣列正面的電場分布圖(40 kV)Fig.6.(a) Differences in morphology of the inner and outside needles at different needle spacings (40 kV,240 μS/cm);(b) distribution of the electric field of the multi-needle electrode (front view) at different needle spacings (40 kV).

為了研究邊緣針電極與內(nèi)側(cè)針電極放電形態(tài)上的差別,采用課題組開發(fā)的Matlab 程序[46],測量了每個針電極光斑偏離針尖位置的最大距離.將同一實驗條件下30 個放電脈沖測得的最大偏離距離分成邊緣針電極(12 根)和內(nèi)側(cè)針電極(9 根)兩個組分別平均.本文測量了針針間距5—20 mm、水電導(dǎo)率60—480 μS/cm 和電壓20—40 kV 條件放電光斑偏離針尖的最大距離,圖7 給出了120 μS/cm 條件下的結(jié)果.從圖7 可以看出,電壓較低時(20—24 kV)邊緣針電極和內(nèi)側(cè)針電極放電光斑偏離針尖的距離大致相同.電壓較高時(≥ 28 kV)邊緣針電極放電光斑偏離針尖的距離相比內(nèi)側(cè)針電極的大得多,且隨著電壓的升高差別更大.針針間距越大,邊緣針電極和內(nèi)側(cè)針電極放電光斑偏離針尖的距離的差別越小.從多針電極陣列正面觀測得到的這個結(jié)果可能是以下兩個原因引起的: 1) 內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光絲較短,邊緣針電極產(chǎn)生的流光絲較長;2) 以針電極軸向為基準(zhǔn),內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光絲偏離軸線角度較小,邊緣針電極產(chǎn)生的流光絲偏離軸線角度相對較大.

圖7 外加電壓和針針間距對光斑的影響(120 μS/cm) (a) D=5 mm;(b) D=10 mm;(c) D=15 mm;(d) D=20 mmFig.7.Influence of the applied voltage and the needle spacing on the spot size (120 μS/cm): (a) D=5 mm;(b) D=10 mm;(c) D=15 mm;(d) D=20 mm.

為了驗證以上推測,將5 根針電極在電極圓盤上排成一列,從電極陣列的側(cè)面拍攝了放電的發(fā)光圖像.實驗時水電導(dǎo)率固定為240 μS/cm,針針間距分別為5,10,15 和20 mm.每一個針針間距下,電壓從20 kV 增大到40 kV,步長為4 kV,每個電壓條件下重復(fù)30 個脈沖.圖8(a)是240 μS/cm和40 kV 時獲得的不同針針間距條件下的側(cè)面放電圖像.從獲取的大量側(cè)面圖像可以看出,邊緣針電極放電產(chǎn)生的流光絲相比內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光絲長,以針電極軸向為基準(zhǔn),邊緣針電極產(chǎn)生的流光絲的偏角相比內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光大.通過測量流光絲的偏角,研究了針針間距對流光絲偏角的影響,結(jié)果如圖9 所示.結(jié)果發(fā)現(xiàn),針針間距越小邊緣針電極產(chǎn)生的流光絲的偏角越大、與內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光絲的偏角的差也越大.位于中心的針電極產(chǎn)生的流光的偏角最小,隨著針針間距變大這個最小值變大.

圖8 (a) 不同針針間距下5 針電極水下流光放電的側(cè)面發(fā)光圖像(40 kV,240 μS/cm);(b)不同針針間距下5 針電極的側(cè)面電力線分布圖(40 kV)Fig.8.(a) Lateral emission images of underwater streamer discharge generated from a 5-needle array at different needle spacings (40 kV,240 μS/cm);(b) electric fluxline of a 5-needle array at different needle spacings (40 kV).

圖9 電極間距D 對流光絲偏離針電極軸線偏角的影響(240 μS/cm,32 kV)Fig.9.Influence of the electrode spacing on the deviation angle of the streamer filament from the needle axis (240μS/cm,32 kV).

多針電極陣列中邊緣電極和內(nèi)側(cè)電極放電形態(tài)上的差異可能是各個針電極產(chǎn)生的電場的相互干擾造成的.為了驗證這一推測,采用COMSOL軟件模擬計算了多針電極陣列正面的電場分布.圖6(b)是外加電壓40 kV 時COMSOL 軟件模擬計算得到的不同針針間距條件下21 針陣列正面的電場分布圖,分別與圖6(a)中的放電發(fā)光圖像對應(yīng).圖10 是模擬計算得到5 針電極陣列中各電極尖端處的場強(qiáng)大小比較圖.從圖6 和圖10 可以看出,多針電極陣列中各針電極產(chǎn)生的電場存在相互疊加干擾,內(nèi)側(cè)針電極尖端的電場被削弱,導(dǎo)致內(nèi)側(cè)針電極流光相對較弱.針針間距越大,針電極之間電場的相互疊加干擾越小,邊緣針電極尖端的場強(qiáng)和內(nèi)側(cè)針電極尖端的場強(qiáng)的差別越小,因此邊緣針電極和內(nèi)側(cè)針電極放電光斑偏離針尖的距離的差別越小.

圖10 不同針針間距下5 針電極陣列針尖處電場強(qiáng)度(32 kV)Fig.10.Electric field intensity at the tip of the 5-needle array at different needle spacings (32 kV).

基于COMSOL 軟件模擬計算,繪出了5 針電極陣列不同針針間距下的側(cè)面電力線分布圖,如圖8(b)所示.結(jié)合圖9 的流光絲偏角的結(jié)果,可以看出流光絲的偏角受到電力線分布的約束.針針間距較小時,邊緣針電極尖端附近的電力線彎曲程度較大,邊緣針電極產(chǎn)生流光絲的偏角也越大,隨著針針間距的增加,邊緣針電極尖端附近的電力線彎曲程度和流光絲的偏角相應(yīng)減小,當(dāng)針針間距增大到20 mm 時,邊緣和內(nèi)側(cè)針電極產(chǎn)生的流光絲的偏角大致相同.

針尖附近的電場是影響水下流光放電的一個重要因素.基于水下流光放電的“氣泡理論”的焦耳加熱效應(yīng)(p=j·E)[23-25],針尖附近電場E越大,焦耳加熱越顯著;水電導(dǎo)率越大,水中離子濃度越大,在相同的電場下,針尖附近的電流密度j越大,焦耳加熱越顯著,即針尖附近越容易形成氣化泡(或低密度區(qū)),使得針尖附近越容易產(chǎn)生放電.多針電極陣列中各針電極附近電場相互疊加干擾,使得各針尖附近的電場強(qiáng)度和電流密度各不相同,引起各針尖附近氣泡(或低密度區(qū))的形成的快慢不同、達(dá)到氣泡放電擊穿所需的時間(延遲時間)長短不同,導(dǎo)致各針電極不能同時放電,有的針電極甚至不放電,使得多針陣列在同一個放電脈沖過程中放電針尖數(shù)目隨時間逐漸增多.隨著外加電壓的增大各針尖附近的電場相應(yīng)增大,針針間距越大各針尖附近電場的干擾差異縮小,各針尖附近氣化泡(或低密度區(qū))的形成快慢、達(dá)到氣泡放電擊穿所需的時間逐漸趨同,使得放電延遲時間變短、放電針電極數(shù)目增多.

3.4 多針電極的放電能量效率

水下多針電極放電實驗過程中記錄的放電電流是放電產(chǎn)生的總電流,包括3 個部分: 位移電流、水體中的傳導(dǎo)電流和流光絲中的電流.在單個脈沖放電過程中,位移電流相關(guān)的做功為零,因此,放電過程中的注入能量是通過水體中的傳導(dǎo)電流和流光絲中的電流注入的.通過水體中的傳導(dǎo)電流注入的能量是散布在整個放電水槽的水中的,與等離子體作用有關(guān)的能量是通過流光絲中的電流注入的.為了評價多針電極放電過程中有多少能量用于等離子體作用,定義能量效率如下:

其中,Es為注入流光絲的能量,Ew為注入到水體中的能量,可以按以下兩式分別求得:

其中,Is和Iw分別為流光絲中的電流和水體中的傳導(dǎo)電流.實驗中測得的放電電流是總電流,在本研究中利用軟件程序[47,48]從總電流中分離得到Is和Iw.對每一個實驗條件下得到的30 個脈沖的電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了每一個實驗條件下的能量效率.結(jié)果發(fā)現(xiàn)多針電極放電的能量效率小于單針電極放電的能量效率,多針電極結(jié)構(gòu)的針針間距對能量效率有重要影響,針針間距越小放電的能量效率越低.圖11 給出了240 μS/cm 條件下放電能量效率的結(jié)果.40 kV 時隨著針針間距由5 mm 增大到20 mm,放電能量效率由51%增大到74%.增大針針間距可以提高放電的能量效率,但是仍明顯低于單針放電時的能量效率.針針間距越小,針電極之間電場的相互疊加干擾越大,能夠放電的針電極數(shù)目越少,同時陣列內(nèi)側(cè)電極放電越弱,導(dǎo)致多針電極的放電能量效率越低.據(jù)此,在開發(fā)大體積水下放電反應(yīng)器時須謹(jǐn)慎選擇放電位點的間距,在擴(kuò)大等離子體相互作用體積的同時確保合理的放電能量效率.

圖11 外加電壓和針針間距對放電能量效率的影響(240 μS/cm)Fig.11.Influence of the applied voltage and the needle spacing on the discharge energy efficiency (240 μS/cm).

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一個21 根針的多針電極結(jié)構(gòu),利用四分幅超高速相機(jī)觀測了單一脈沖放電過程中多針電極水下流光放電的時間演化過程.基于水下流光放電的發(fā)光圖像,研究了單個脈沖放電過程中可能放電的針電極數(shù)目、電極陣列邊緣和內(nèi)側(cè)針電極的放電形態(tài)的差異.通過從實測的放電電壓電流波形中分離出水體中的傳導(dǎo)電流和流光絲中的電流,研究了多針電極結(jié)構(gòu)的放電能量效率.采用COMSOL 軟件模擬了多針電極陣列的電場分布,探討了電場分布對多針電極放電的影響.主要結(jié)果如下.

1) 在單個脈沖放電過程中,21 根針電極不是同時發(fā)生放電,放電隨機(jī)發(fā)生在某些針電極,放電針電極數(shù)目隨時間逐漸增加到某個最大值.最大放電針電極數(shù)目隨電壓和針針間距的增大而增加.

2) 在同一個脈沖放電過程中,位于電極陣列邊緣的電極和內(nèi)側(cè)的電極在放電形態(tài)上存在顯著差異.位于邊緣的電極產(chǎn)生的流光絲較長且偏離針電極軸線的偏角較大,而位于陣列內(nèi)側(cè)的電極產(chǎn)生的流光絲較短且偏離針電極軸線的偏角較小.針針間距對陣列邊緣和內(nèi)側(cè)的電極放電形態(tài)的差異具有顯著的影響,針針間距越小,陣列邊緣和內(nèi)側(cè)的電極放電形態(tài)的差異越大.

3) 多針電極結(jié)構(gòu)中各針電極產(chǎn)生的電場存在相互疊加干擾,使得位于陣列邊緣的針電極尖端的電場明顯高于內(nèi)側(cè)針電極尖端的電場.陣列邊緣針電極附近的電力線與電極軸向的夾角比內(nèi)側(cè)針電極附近的電力線偏角大.針針間距越小,針電極之間電場的相互疊加干擾越大.陣列邊緣和內(nèi)側(cè)電極放電形態(tài)上的差異主要是針電極之間電場相互疊加干擾引起的.

4) 在單個脈沖放電過程中,針針間距是影響多針電極放電的重要因素,針針間距越小放電能量效率越低.引起這樣結(jié)果的主要原因是: 針針間距越小,針電極之間電場的相互疊加干擾越大,使得能夠放電的針電極數(shù)目減少和陣列內(nèi)側(cè)電極放電減弱.

基于上述結(jié)果,建議開發(fā)大體積水下放電反應(yīng)器時應(yīng)在考慮增加放電位點數(shù)的同時適當(dāng)增大放電位點間距,以提高能量利用率.