一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置

本发明涉及脉冲功率，具体的，本发明涉及一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置。

背景技术：

1、由于水介质具有密度大、压缩系数小的特殊性质，水中脉冲放电产生的冲击波具有更高的峰值压力，且衰减速度更小。放电通道在快速膨胀时首先会产生一个球面冲击波，随后气泡膨胀后收缩至体积最小时产生二次压力脉动波，气泡的膨胀与压缩运动可循环几次甚至十余次，从而产生多次压力脉动波。水中冲击波效应已在液电成形、能源开发、体外碎石、食品加工等领域已得到广泛应用。

2、目前实际应用中多采用安全可靠的物理方法来产生冲击波，产生水中冲击波的物理方法包括水间隙击穿、水中金属丝电爆炸、激光诱导等。其中，水间隙击穿即“液电效应”(electrohydraulic effect)，指的是液体介质被高压脉冲击穿后引发的光、热和冲击波等效应。水中金属丝电爆炸(underwater electrical wire explosion，简称uewe、水中丝爆)是指金属丝受到脉冲电流的驱动后，在焦耳加热作用下，快速经历熔化、汽化、击穿/电离等一系列相变过程，同时伴随光辐射、冲击波等物理现象。水中沿面放电与uewe具有相似的放电波形，可以认为水中沿面放电由于载流导电涂层微观的不均匀性，能量沉积不均匀导致局部过热发生微小“电爆炸”，类似电-热不稳定性机制。激光诱导是指将高能量的激光束聚焦到水中，从而产生冲击波等效应。

3、单一放电源产生的冲击波能量转化效率较低(最高达24％)，因此目前亟需一种装置可以产生更强、更可控的冲击波提高冲击波的压力峰值，从而为工程及民用应用提供更强的可控机械波源。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于水中沿面电爆炸诱导气泡的复合式机械波发生装置，以沿面电爆炸单元提供首次冲击波，同时诱导产生气泡，再以水中放电单元在气泡中二次放电产生第二次冲击波，可实现较高的放电稳定性和可控性，显著提高冲击波的峰值和能量转化效率。

2、一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及气体火花间隙开关；

3、所述腔体的放电部分内盛满绝缘液体；

4、所述沿面电爆炸单元包括脉冲电源、导电石墨体以及第一电极；所述第一电极设置在腔体内，一侧与所述绝缘液体液面接触；所述导电石墨体的一端设置在所述第一电极的间隙中；所述脉冲电源于所述第一电极连接；

5、所述水中放电单元包括重频脉冲电源以及第二电极；所述第二电极设置在所述腔体的放电部分内，所述重频脉冲电源设置在所述腔体外部，并与所述第二电极连接；

6、所述气体火花间隙开关包括第一气体火花间隙开关以及第二气体火花间隙开关，均设置在所述腔体外部；第一气体火花间隙开关一端与所述脉冲电源相连，另一端与所述第一电极相连；第二气体火花间隙开关一端与所述重频脉冲电源相连，另一端与第二电极相连。

7、进一步的，所述腔体为透明刚性材质制成。

8、进一步的，所述腔体外还设置有脉冲激光调制单元，所述脉冲激光调制单元包括凸透镜与脉冲激光器，所述凸透镜设置在所述脉冲激光器上。

9、进一步的，所述脉冲激光调制单元还包括时序控制系统。

10、进一步的，所述第一电极的两极板靠近电极间隙一端的相对位置具有凸起，所述凸起设置在第一电极与去离子水接触的一侧。

11、进一步的，导电石墨体的另一端设置有弹簧。

12、进一步的，所述第一电极通过第一绝缘子固定在腔体内；所述第二电极通过第二绝缘子固定在腔体内。

13、进一步的，所述第二绝缘子上设置有多个通孔。

14、进一步的，所述腔体上设置有进水口与出水口。

15、进一步的，所述第一电极与第二电极之间的距离为10-50mm；所述第一电极的间隙为1-30mm，所述第二电极的间隙为1-20mm。

16、与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

17、1.本发明通过采用多电极结构放电的方式，以沿面放电作为首次冲击波源，并在水中诱导产生气泡，为水中电极产生二次冲击波提供更有利于放电的气体介质环境，有效地提高冲击波峰值和能量利用率。

18、2.本发明通过脉冲激光调制单元，可以控制石墨沿面放电的初始局部炸点位置、诱导击穿水中电极间隙，可增强冲击波的可控性和强度，进一步满足水中脉冲放电在实际应用的需求。

19、3.本发明提供的沿面电爆炸单元，凹形电极构造和弹簧结构可以实现沿面放电介质的自动补充，保证沿面放电的可连续性。

20、4.本发明提供的绝缘子上的多通孔可以调整沿面电爆炸电极和水间隙放电电极的距离，提高了复合冲击波的可控性。

21、5.本发明提供的沿面电爆炸单元和水中放电单元，基于脉冲激光调制单元，可以实现两种电极结构第三次或更多次放电的不同放电时序，从而获得不同冲击波强度。同时激光诱导放电可以为放电通道形成提供一定能量，提高放电效率。

22、6.本装置结构简单、成本低、稳定性好，可根据实际需求，通过调节水中电极间距、时序控制系统和脉冲源频率对冲击波进行进一步调控。

技术特征：

1.一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，其特征在于，包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及气体火花间隙开关；

2.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体为透明刚性材质制成。

3.根据权利要求2所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体外还设置有脉冲激光调制单元，所述脉冲激光调制单元包括凸透镜与脉冲激光器，所述凸透镜设置在所述脉冲激光器上。

4.根据权利要求3所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述脉冲激光调制单元还包括时序控制系统。

5.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极的两极板靠近电极间隙一端的相对位置具有凸起，所述凸起设置在第一电极与去离子水接触的一侧。

6.根据权利要求5所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，导电石墨体的另一端设置有弹簧。

7.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极通过第一绝缘子固定在腔体内；所述第二电极通过第二绝缘子固定在腔体内。

8.根据权利要求7所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第二绝缘子上设置有多个通孔。

9.根据权利要求1所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述腔体上设置有进水口与出水口。

10.根据权利要求1-9任一项所述的复合式机械波发生装置，其特征在于，所述第一电极与第二电极之间的距离为10-50mm；所述第一电极的间隙为1-30mm，所述第二电极的间隙为1-20mm。

技术总结
本发明公开了一种沿面电爆炸耦合多物理场源的复合式机械波发生装置，属于脉冲功率技术领域。本发明包括腔体、沿面电爆炸单元、水中放电单元以及火花间隙开关；腔体用于盛放绝缘液体，沿面电爆炸单元用于产生第一次冲击波，水中放电单元用于产生第二次冲击波，火花间隙开关用于导通沿面电爆炸单元以及导通水中放电单元；本发明通过采用多电极结构放电的方式，以水中沿面放电作为首次冲击波源，并在水中诱导产生气泡，为水中放电单元产生二次冲击波提供更有利于放电的气体介质环境，有效地提高冲击波峰值和能量利用率，具有显著的进步。

技术研发人员：韩若愚,白洁,李鹏斐,王梦蕾,李婧冉,陈曦
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21