基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空化泡诱发技术，特别涉及一种基于马克思发生器的电火花诱发 空化泡的实验装置，属于空化及空泡动力学领域。
【背景技术】
[0002] 马克思发生器（Marx Generator)是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装 置，该结构由E. Marx于1924年提出，经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验 中，如公开号为CN203688736U，发明名称为一种基于马克思发生器的绝缘及介质冲击耐压 装置的专利申请。所述马克思发生器也叫冲击电压发生器。
[0003] 空化现象也被称为空穴现象，是水体局部剧烈气化在水体中生成气体空腔的现 象，这个气体空腔称为空化泡。
[0004] 空化现象存在于自然界，例如，枪虾猎食时会将它的巨螯快速合上，喷射出一道 时速高达1〇〇公里左右的水流，将猎物如小鱼、小蟹震慑、击昏，甚至杀死。这道高速水流 会触发空化现象，成形一个极微小的空化泡。（Lohse D, Schmitz B，Versluis M. Snapping shrimp make flashing bubbles[J]. Nature, 2001, 413(6855):477-478.)
[0005] 空化现象也广泛存在于水利工程、船舶工程等领域的人造设施，例如输水隧洞表 面会因凸起的钢筋、砂石发生空化现象，进而破坏混凝土表面。空化现象往往伴随着高流 速、高压力梯度、高能量，常规的模型试验无法模拟，因此，它成为多个学科共同面对的难 点。因而，研究空化现象具有重要意义，而人工制造空化泡是研究空化现象的重要手段。
[0006] 空化的形成原因可能是水体中压强降低或水温温度上升，利用电火花产生的高温 在水体中产生空化泡，进而可利用高速摄像机、水听器等量测设施研究空化泡的发展、溃灭 规律。
[0007] 现有基于变压器一次升压、硅堆滤波整流的电火花诱发空化泡的实验装置，其硅 堆滤波整流的方式是将民用交流电转化为高压直流电，并利用电容、针板诱发放电；该装置 只能通过调节与针板串联的电阻来改变空化泡的大小；在该装置工作过程中，超过100kV 的高压脉冲击穿针板的同时，电极击穿纯水如二次去离子水，使电极在水体中产生空化泡， 上述过程反复进行。该实验装置存在的缺陷有：（1)需要100kv以上的高压脉冲，其电气装 置的耐压、绝缘要求很高；尤其是变压器、高压硅堆和高压电容尺寸大，因而成套装置往往 需要单独的一整间实验室进行布置；且价格贵。（2)电火花放电是随机过程，而针板之间的 电场不均匀，这导致放电的参数具有较大的离散性。（3)产生的空化泡大小受到电容大小、 针板间距、电极间距、变压器输出电压、以及电阻等众多参数影响；利用现有装置不易控制 以上参数，从而空化泡大小也不易控制。（4)产生电压较大，安全性较低，且对实验人员有较 强的电磁辐射。（5)巨大的装置的高电压、高电流产生较强的电磁场，对实验仪器和计算机 等设施具有较大的干扰。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的正是针对所述现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种基于马克 思发生器的电火花诱发空化泡的实验新装置。该实验装置利用马克思发生器，将变压器的 升压比变为原来的1/n，其中，η为马克思发生器的级数；本发明的实验装置采用级数为2~ 10级的马克思发生器，同时在空气中采用球隙，以及在水体中采用针尖电极，利用球隙的间 距和针尖电极的间距控制空化泡的大小。
[0009] 为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。
[0010] 本发明提出的一种基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置，包括可调 直流稳压电源，ZVS驱动电路，高压包，马克思发生器，球隙，针尖电极，水槽，光源和背光源， 高速摄像机和计算机；所述可调直流稳压电源提供直流稳压电压给ZVS驱动电路，经ZVS驱 动电路后变换成交流电压，交流电压通过高压包升压后变换为直流高压电压，直流高压电 压传输给马克思发生器，所述马克思发生器与布置在水槽中的针尖电极连接，马克思发生 器还与与球隙连接，球隙与水槽中针尖电极连接；所述光源，背光源，高速摄像机和计算机 单独置放，且高速摄像机与计算机连接。
[0011] 上述技术方案中，所述马克思发生器的级数η设计为2~10级。
[0012] 上述技术方案中，所述马克思发生器的每一级由对称排列成两行的第一电阻或第 二电阻和电容构成；级与级之间安装火花隙。
[0013] 上述技术方案中，所述马克思发生器的输入电压加载到第一级，第一级由两个对 称第一电阻和电容构成，第2~10级由18个第二电阻排成对称两排和9个电容构成。
[0014] 上述技术方案中，所述的针尖电极带有螺纹和压花，针尖电极可以为平头或尖头， 其最顶端的直径小于或等于1_。
[0015] 上述技术方案中，所述的球隙带有螺纹和压花，其最顶端为半球面或其他光滑曲 面。
[0016] 本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置，其基本原理是： 将马克思发生器用于电火花诱发空化泡的实验装置中，同时在空气中采用"球隙"，以及在 水槽中放置针尖电极。所述马克思发生器的一个输出端连接水槽中针尖电极，针尖电极与 球隙连接，球隙也与马克思发生器的另一个输出端连接，并利用针尖电极的间距大小和球 隙的间距大小来控制其空化泡的大小。马克思发生器的输入端连接ZVS驱动电路和高压 包，零电压开关驱动电路接入直流稳压电源。装置启动后，直流稳压电源提供的低压直流电 经过零电压开关驱动电路和高压包后变为高压直流电，当马克思发生器有高压直流电输入 时，电容开始充电，此时各个级电容之间为并联方式，当电容两端电压上升到足以击穿各自 支路的火花隙时，火花隙被击穿，此时所有电容转变为串联，串联的电容共同对球隙和针尖 电极放电，得到电压很高的脉冲直流电。所述直流稳压电源带有限流功能，装置中出现短路 时会自动跳闸，保护电路。
[0017] 本发明与现有技术相比较所具有的优点及有益的技术效果：
[0018] 1、本发明的实验装置采用2~10级的马克思发生器，作为电火花诱发空化泡的高 压装置，即将变压器输出的较低的恒定电压变成较高的脉冲电压输出。
[0019] 2、本发明的实验装置比现有的装置尺寸大大减小，这不仅节约了实验室用地，还 降低了装置成本造价。
[0020] 3、本发明的实验装置采用短路自动断路方法既避免高压触电的危险性，降低实验 装置产生的电磁场，因而减小对其他实验仪器及设施的干扰；还增加操作人员的安全性。
[0021] 4、本发明的实验装置在空气中采用球隙和在水体中采用针尖电极，利用球隙的间 距和针尖电极的间距控制其空化泡的大小，使装置可以定量地改变空化泡的大小，减小放 电过程的随机性，使每次放电产生的空化泡的尺寸更均匀。
【附图说明】
[0022] 图1本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置结构框图示 意图；
[0023] 图2本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置中10级马克 思发生器电路示意图；
[0024] 图3本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置中的球隙结 构示意图；
[0025] 图4本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置中的针尖电 极结构示意图。
[0026] 图中，1可调直流稳压电源，2ZVS驱动电路，3高压包，4马克思发生器，5球隙，6光 源，7背光源，8针尖电极，9高速摄像机，10计算机，11第一电阻，12第二电阻，13电容，14 火花隙，15螺纹，16压花。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着 是对本发明所述保护内容的任何限定。
[0028] 本发明所述基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置，其结构如图1所 示，包括可调直流稳压电源1，ZVS驱动电路2,高压包3,马克思发生器4,球隙5,光源6,背 光