CC BY
12УДК 537.528
Б01: 10.21779/2542-0321- 2016-31-3-31-36
В.А. Панов, Л.М. Василяк, С.П. Ветчинин, В.Я. Печеркин, Э.Е. Сон
Динамика электрического разряда в воде с микропузырьками
Объединённый институт высоких температур РАН; Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская 13, стр. 2;panovvladislav@gmail.com
В работе представлены результаты экспериментального исследования динамики электрического разряда в проводящей воде при приложении длинных импульсов напряжения положительной полярности. В экспериментах регистрировались электрические параметры разряда (осциллограммы напряжения и тока), а также велась фоторегистрация теневым методом. Анализ полученных осциллограмм и изображений показал, что в своём развитии разрядный канал проходит как минимум через две хорошо различимые стадии: 1) формирование начальной паровой области вблизи анода; 2) пробой начальной паровой области с последующим ростом плазменного канала вплоть до замыкания. На второй стадии структура канала разряда представляет собой сферическую часть, примыкающую к аноду, и канальную часть, прорастающую с поверхности сферической части, ближайшей к катоду. Скорость расширения сферической части уменьшается по мере её роста, замыкание разрядного промежутка происходит канальной составляющей со скоростью, на порядок превышающей скорость роста сферической части.
Ключевые слова: электрический пробой, разряд, проводящая жидкость.
Детальные исследования физических процессов ионизации и пробоя воды начались в связи с интенсивным развитием мощной импульсной техники, когда было предложено использовать дистиллированную воду в импульсных накопителях энергии при напряжениях мегавольтного диапазона [1]. Позднее явление электрического пробоя в воде было использовано в технологии электрогидродинамического измельчения [2] и электрогидравлической ударной технологии [3]. Исследования последних лет [4-6] показали перспективность использования различных конфигураций электрического разряда в жидкости с целью её очистки. Применение плазменных технологий для получения питьевой или даже технической воды связано с явлением электрического разряда в среде с относительно высокой проводимостью. Однако на сегодняшний день в основном систематически изучался электрический разряд в диэлектриках с малой начальной проводимостью. Детально исследованы быстрые стадии развития разряда в дистиллированной и деионизованной воде в наносекундном и микросекундном диапазонах времени [7-10]. Экспериментально установлено, что в дистиллированной воде, так же, как и в органических диэлектриках (трансформаторное масло, гексан, спирт и др.), развитие искрового разряда начинается с острийного анода и происходит по пузырьковому механизму в две стадии [11]. На первой стадии после подачи высоковольтного импульса напряжения наносекундной или микросекундной длительности вблизи острия анода фиксируются первичные каналы стримеров диаметром 5-10 мкм, развитие которых сопровождается фазовым переходом в жидкости и возникновением ионизованных микропузырьков. В длинных разрядных промежутках с межэлектродным расстоянием d > 1 см наблюдается вторая стадия развития искрового разряда, которая характеризуется ветвлением стримеров. Стримерная зона приобретает яркосветящуюся древовид-
ную форму в которой рождается хорошо проводящий канал - лидер [8]. Однако в проводящей жидкости наблюдается иной механизм развития канала.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование динамики развития электрического разряда в водопроводной воде с малым количеством микропузырьков в диапазоне напряжений, близких к минимальному пробойному.
В качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода с проводимостью на уровне 300 мкСм/см. Разряд инициировался в разрядной ячейке из оргстекла с внутренним объемом 80*80*70 мм. Электроды выполнены из латуни и расположены вертикально, соосно, на расстоянии 7.7 мм в центре ячейки. Анод выполнен из прутка диаметром 3 мм. Рабочий кончик имеет форму конуса с высотой 5 мм, острие представляет собой полусферу диаметром 400 мкм. Катод выполнен из прутка диаметром 1.8 мм со скругленной кромкой на рабочем торце. Для инициации разряда с генератора подавался импульс напряжения положительной полярности и с амплитудой до 40 кВ. Ток в цепи ограничивался балластным резистором до значений не более 8 А. Напряжение и ток регистрировались при помощи делителя напряжения и токового шунта. Фоторегистрация велась упрощенным теневым методом при помощи скоростной фотокамеры Photron SA-Z. Максимальная частота следования кадров составила 50400 кадр/с в проведенных экспериментах. Синхронизованный запуск экспериментальной установки проводился при помощи генератора импульсов-задержек Berkeley Nucleonics BNC575. Вся информация, а именно: сигналы с делителя напряжения и токового шунта, сигнал начала записи фотокамеры и сигнал экспозиции каждого кадра камеры, - записывалась осциллографом LeCroy HD04054 (500 МГц, 2.5 ГВ/с). Точность синхронизации полученных фотографий с осциллограммами составляет не хуже 1 мкс.
В представленной постановке эксперимента минимальное напряжение на промежутке, при котором происходит его замыкание хорошо проводящим каналом с последующей разрядкой ударной ёмкости генератора, составило 6 кВ.
Анализ полученных результатов проводился путем сопоставления записанных осциллограмм напряжения и тока с соответствующими изображениями разрядного промежутка.
Характерная осциллограмма напряжения представлена на рис. 1.
м
<u S
Я
g
« а
S я
8-
6-
4-
2-
0.0
0.5
1.0
1.5
2 0
2 5
3 0
Время (мс)
Рис. 1. Характерная осциллограмма напряжения. Начальное напряжение на промежутке 6.5 кВ: А - момент подачи импульса напряжения; В - характерный излом осциллограммы; С - момент замыкания разрядного промежутка хорошо проводящим плазменным каналом
Характерные изображения, соответствующие участку А-В, точке В и участку В-С на осциллограмме, представлены на рис. 2.
» »
(а) (Ь) (с)
Рис. 2. Характерные изображения разрядного промежутка. Начальное напряжение на промежутке 6.5 кВ: (а) - соответствует участку А-В осциллограммы, t = 1190 мкс; (Ь) - соответствует точке В, t = 1250 мкс; (с) - соответствует участку В-С, t = 2260 мкс. Острие анода расположено в верхней части изображения, катод - в нижней
На всех полученных осциллограммах напряжения присутствуют три характерные точки: А, В и С. Точке А соответствует момент подачи импульса напряжения. Через некоторое время, зависящее от величины прикладываемого напряжения, вблизи кончика анода появляется оптически непрозрачная область, вытянутая вдоль линий электрического поля. Вероятнее всего, данная область является паровой полостью, изначально состоящей из множества микропузырьков, образующихся при взрывном вскипании в прианодной области. Самосвечение в данной области отсутствует. На участке А-В происходит постепенный рост образовавшейся полости вплоть до некоторого критического размера (см. рис. 2a). В точке В происходит пробой начальной паровой области (см. рис. 2Ъ), после которого начинается более интенсивное расширение канала разряда. На участке В-С ближе к моменту замыкания разрядный канал состоит из двух характерных частей (см. рис. 2с): первая - «сферическая» часть, образовавшаяся в результате расширения начальной паровой области, и вторая - «канальная» часть, берущая своё начало на поверхности «сферической» части в области точки, ближайшей к катоду.
На основе анализа полной серии изображений получены графики зависимости длины отдельных частей разрядного канала от времени (см. рис. 3) и их скоростей (см. рис. 4).
л §
Время (мс)
Рис. 3. График зависимости длины канала разряда от времени: 1 - длина «сферической» составляющей канала; 2 - длина «канальной» составляющей. Огибающая - суммарная длина канала разряда
Анализ графиков на рис. 3 и 4 показал следующее. До пробоя начальной паровой области в точке В длина «сферической» части канала достигает некоторого критического значения (1.5 мм в описываемом эксперименте), после которого начинается незначительное колебание продольного размера данной области. Скорость роста максимальна в момент начала образования «сферической» составляющей и спадает по мере увеличения размера. С течением порядка 200 мкс происходит пробой «сферической» части, за которым следует более интенсивное расширение, после которого начинается новый рост. Скорость расширения сразу после точки В максимальна и составляет порядка 7 м/с.
ь т с
о р
о к С
Время (мс)
Рис. 4. График зависимости скорости роста канала разряда от времени: 1 - «сферическая» составляющая канала; 2 - «канальная» составляющая
После образования зародыша «канальной» части на переднем фронте «сферической», энергия, по-видимому, начинает вкладываться в основном в «канальную» часть. Скорость её роста все время увеличивается и достигает максимального значения в момент перед замыканием разрядного промежутка. Скорость роста «сферической» части, напротив, уменьшается на всем промежутке B-C.
Таким образом, проанализировав осциллограммы напряжения совместно с изображениями разрядного промежутка, можно сформулировать следующие выводы: развитие пробоя в проводящей воде при напряжениях, близких к минимальному пробойному, происходит в две стадии: на первой происходит образование начальной паровой области, затем происходит её пробой и расширение вплоть до замыкания промежутка. Канал разряда имеет две характерные части - «сферическую» и «канальную», удлинение которых происходит с разными скоростями: на начальной стадии определяющим является рост «сферической» части, в то время как замыкание промежутка обеспечивается «канальной» частью. При этом скорости данных составляющих перед замыканием промежутка могут отличаться более чем на порядок.
Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 16-08-00088.
Литература
1. Miller R. An Introduction to the Physics of Intense Charged Particle Beams. - New York: Springer, 1982.
2. Bluhm H., Frey W., Giese H., Hoppe P., Schultheiß C. and Strässner R. Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. - 2000. - № 7. - Р. 625-36.
3. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986.
4. Jiang B., Zheng J., Qiu S., Wu M., Zhang Q., Yan Z. andXue Q. Review on electrical discharge plasma technology for wastewater remediation // Chem. Eng. J. - 2014. - № 236. -Р. 348.
5. Anpilov A.M. et al. Electric discharge in water as a source of UV radiation, ozone and hydrogen peroxide // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2001. - № 34. - Р. 993.
6. Panov V.A., Vasilyak L.M., Pecherkin V.Y., Vetchinin S.P., Kulikov Y., Mand Son E.E. Evolution of electrical discharge channel in isopropyl alcohol solution // J. Phys.: Conf. Ser. - 2015. - № 653. - Р. 012157.
7. Starikovskiy A., Yang Y., Cho Y.I. andFridman A. Non-equilibrium plasma in liquid water: dynamics of generation and quenching // Plasma Sources Sci. Technol. - 2011. -№ 20. - Р. 024003.
8. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005.
9. Bruggeman P. and Leys C. Non-thermal plasmas in and in contact with liquids // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2009. - № 42. - Р. 053001.
10. Lesaint O. Prebreakdown phenomena in liquids: propagation 'modes' and basic physical properties // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2016. - № 49. - Р. 144001.
11. Коробейников С.М., Мелехов А.В., Бесов А.С. Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков // ТВТ. - 2002. - Т. 40, вып. 5. - С. 706-713.
Поступила в редакцию 22 сентября 2016 г.
UDC 537.528
DOI: 10.21779/2542-0321- 2016-31-3-31-36
The dynamics of the electric discharge in the water with microbubbles V.A. Panov, L.M. Vasilyak, S.P. Vetchinin, V.Ya. Pecherkin, E.Ye. Son
Joint Institute for High Temperatures RAS; Russia, 125412, Moscow, Izhorskaya 13, Bd. 2; panovvladislav@gmail.com
The paper presents the results of an experimental study of the dynamics of the electric discharge in the conductive water by applying long pulses of positive polarity. The experiments recorded the electrical discharge parameters (voltage and current waveforms), and photo registration was conducted by shadow method. Analysis of the waveforms and images showed that in its development the discharge channel passes through at least two clearly distinguishable stages: 1) formation of an initial vapor region close to the anode; 2) The breakdown of the initial steam area and following increase of the plasma channel up to the circuit. In the second stage of the discharge the channel structure is a spherical portion adjacent to the anode, and a channel part arising from spherical surface closest to the cathode. The rate of expansion of the spherical portion decreases as its height increases, the discharge gap closure occurs by the channel part at a rate exceeding an order of the growth rate of the spherical portion.
Keywords: electrical breakdown, discharge, conductive liquid.
Received 22 September, 2016
