Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Явления, происходящие в жидкости при электрогидравлическом эффекте

Автор впервые наблвдал электрогидравлический эффект в открытом сосуде, заполненном жидкостью (водой). Уже в ходе первых экспериментальных исследований было установлено, что при пробое жидкости по схемам, представленным на рис. 1.1 и 1.2, вокруг канала разряда возникает зона высокого давления, диаметр которой пропорционален мощности импульса. Высокие гидравлические давления по мере удаления от разряда быстро падают, примерно пропорционально квадрату расстояния от него.

Жидкость, получив ускорение от расширяющегося с большой скоростью канала разряда, перемещается от него во все стороны, образуя на том месте, где был разряд, значительную по объему полость, названную кавитационной, и вызывая первый (основной) гидравлический удар. Затем полость также с большой скоростью смыкается, создавая второй кавитационный гидравлический удар. На этом единичный цикл электрогидравлического эффекта закан­чивается, и он может повторяться неограниченное число раз соответственно заданной частоте следования разрядов [7, 14].

Развитие искрового разряда во времени происходит путем последовательного «прорастания» стримеров в межэлектродном промежутке. Растущий стример, как правило, состоит не из одного, " а из многих каналов с многочисленными ответвлениями от них. Рост каждого отдельного «уса» стримера является ступенчато­прерывным процессом и представляет собой последовательное разряжение гидроксильных ионов ОН“~ из все новых и новых и довольно значительных объемов жидкости, лежащих на пути стримера. Характер и последовательность процесса для нескольких этапов развития приведены на рис. 1.3, а—в.

Если рассмотреть падение напряжения только на одном усе стримера, то оно имеет характерную ступенчатость, но, поскольку рост отдельных усов происходит несинхронно с другими, эта ступенчатость взаимно перекрывается, становится слабовыражен - ной, а для всего процесса в целом даже совсем исчезает [3]. Образовавшийся канал стримера проходит в области, имеющей лишь разрядившиеся ионы ОН~ и нейтральные к процессу роста

©
	VI этап
V этап
Рис. 1,3. Принципиальная схема развития растущего стримера и окружающей его, преимущественно газовой, оболочки: а — этапы ступенчатого развития-про­растания стримера (/—VI); б — схема процесса для момента V этапа; 8 — схема процесса для момента VI этапа; 1 — отдельные боковые «усы» стримера; 2 — оболочка у основания стримера; 3 — глав­ный канал стримера; 4 — канал уса стримера; 5 — оболочка; 6 — электрод

Стримеров ионы Н + , т. е. в области электрически нейтральной, электрически изолирующей канал от окружающей среды.

В процессе роста стримеров возникает основная масса тех газообразных продуктов, из которых в дальнейшем образуется парогазовая рубашка канала искрового разряда. Пузырьки га­зов, образующиеся в жидкости на усах стримеров при их росте, существуют относительно долго и даже тогда, когда тот или иной ус уже исчезает. Эти пузырьки могут довольно ярко светить­ся желто-оранжевым или фиолетово-розовым цветом под влиянием собственных полей разряда. При некотором навыке их можно наблюдать визуально.

При некоторых значениях параметров импульса могут возни­кать самые различные формы искрового канала, связанные с неполным его образованием. Канал может существовать, напри­мер, как составленный из ярко-белой «толстой» и слабосветящейся розово-фиолетовой «тонкой» частей. Иногда также' при опреде­ленных значениях параметров импульса можно наблюдать и появление «перистого» стримера, идущего от отрицательного электрода к положительному.

При прохождении стримера через жидкость (в рассматривае­мом случае через воду) ионы жидкости, разряжаясь на растущий стример как на «выдвижной» электрод, образуют на уже возник­шей его поверхности (кроме непрерывно растущего переднего конца) тонкую газовую пленку, отделяющую уже оформившийся1' ствол или ветвь стримера от окружающей жидкости. Таким образом, происходит своеобразное явление, названное автором явлением самоизоляции разряда, способствующее увеличению эффективности всего процесса. Изолирующую пленку образуют атомарные и молекулярные кислород и водород, газообразная перекись водорода, а также электрически нейтральные свободные радикалы Н, ОН, существующие в парах воды. Поскольку рост стримера совершается не только в пространстве, но и во времени, то его «основание» — у острия положительного электрода — ока­зывается «старше» его «вершины» — продолжающего расти конца стримера. Таким образом, газовая оболочка—«рубашка» стримера,— также развивающаяся во времени, оказывается более «толстой» там, где время ее существования больше. Кроме того, из острия положительного электрода при формировании разряда отходит значительное количество усов, исчезающих после образо­вания главного канала. При исчезновении этих стримеров их газовые оболочки стягиваются с них в основном в оболочку будущего «главного» стримера, еще более увеличивая ее толщину вблизи его «основания» (см. рис. 1.3).

По-видимому, в разрядах молнии, имеющих канал разряда, достигающий иногда 10 км и более, описанное выше явление «самоизоляции» разряда единственно способно объяснить прорас­тание стримеров на «сверхдлинные» расстояния, которые могут проходить лидеры и главный канал разряда молнии при совершен­но недостаточных для этого напряжениях. Расширяющийся канал стримера молнии вытесняет из занятого им объема воздух и пары воды на периферию канала — в его оболочку. Таким образом, получается своеобразное сходство двух, казалось бы, совершенно разнородных явлений. По сути дела и разряд обычной молнии, и разряд, создающий явление электрогидравлического эффекта, возникают... в воде. Только в одном случае канал разряда окру­жает большой объем воды, а в другом — только тонкая парово­дяная пленка. Однако на характер процесса это, по-видимому, почти не влияет, и поэтому закономерности развития обоих процессов чрезвычайно сходны между собой.

Известно, что длинные (особенно сверхдлинные) молнии быва­ют, как правило, «положительными», т. е. такими, стримеры которых развиваются от положительного электрода, а электроны,

' следовательно, движутся к нему, что непосредственно вытекает и из предложенного здесь понимания процесса. Исходя из анало­гичных представлений, следует допустить, что «отрицательные» молнии должны иметь много общего с реверсивными разрядами, описываемыми ниже.

С момента образования стримера в жидкости между электро­дами начинается и первый этап существования кавитационной полости. В этот период полЪсть представляет собой тонкую трубку, окружающую канал стримера. Своим существованием она обяза­на выделяющимся на поверхности канала и сливающимся между собой пузырькам газов. При этом внутри этой трубки давления, будут •относительно малы.

Подлинный рост полости начинается только вместе с ростом диаметра канала разряда при переходе его в искровую форму с наступлением собственно пробоя (после того, как стример замкнет оба электрода). Резкое повышение температуры канала (до 40 ООО °С и более) вызывает появление дополнительного количества продуктов разложения самой жидкости и находящихся в ней веществ в оболочке канала, что и определяет еще более резкий скачок давлений в ней. Огромное сопротивление процессу расширения со стороны окружающей канал жидкости способствует еще более резкому нарастанию давлений в оболочке канала, в силу чего явление приобретает характер взрыва.

Жидкости сообщаются все большие и большие ускорения, и она разлетается в стороны от линии канала разряда, образуя полость. При этом не следует' забывать, что оболочка канала (преимущественно газовая у стримера и парогазовая у искрового разряда) является электрической и тепловой изоляцией канала от окружающей среды, в том числе и от потерь тепла при лучеис­пускании. Однако процесс протекает при давлениях, значения которых заведомо превышают критические, при которых исчезает разница между паром и жидкостью, а поэтому пар как_таковой в этой оболочке либо не появляется вообще, либо появляется в том случае, когда при некоторых параметрах импульсов его существование становится возможным. Характеризуя состояние вещества в парогазовой рубашке канала, следует предположить его неоднородным и плавно переходящим от состояния плазмы к состоянию нормальной жидкости по мере удаления рассматри­ваемого участка слоя от оси канала.

Передача энергии жидкости через тонкий слой эластичной парогазовой рубашки совершается не только в тот перйод, когда диаметр канала растет, но и некоторое время спустя, после того как этот рост прекратится. С увеличением диаметра кайала разряда толщина слоя парогазовой рубашки его растет непро­порционально этому увеличению, по сути дела она остается постоянной, а при некоторых режимах даже уменьшается. Именно этим обстоятельством обеспечивается постоянство усло­вий передачи давлений в окружающую жидкость не только на стадии расширения канала, но и в течение некоторого времени после того, как его рост прекратится.

При образовании кавитационной полости (в начальный период Ее расширения) от границ этой полости отрывается и уходит в ИЖТЬ#Д¥Т В0ЛНа * |° меРе ее Движения энергия, которую

Она несет, перекачивается на задний фронт волны. Когда граница кавитационной полости останавливается в своем движении и полость захлопывается, энергия сжатой жидкости постепенно переходит на передний фронт обратной волны, т. е. на границу полости. Это обстоятельство является причиной того, что почти вся энергия разряда, отошедшая к полости (т. е. энергия запазды­вающего потока), в течение каждого цикла возникновения и захлопывания полости практически не Покидает сравнительно небольшой объем жидкости вблизи зоны разряда.

В начальный момент захлопывания полости в окружающей ее жидкости возникает все время расширяющаяся сферическая граница раздела движений жидкости, еще продолжающей дви­гаться от полости, и жидкости, уже начавшей двигаться к захло­пывающейся полости [3]. Здесь образуется кавитирующее коль­цо — сотни тысяч пузырьков обычных кавитаций, располагающих­ся тороидйм, лежащим в плоскости, перпендикулярной к линии разряда по ее середине (рис. 1.4,а). По мере расширения верхней границы этой области и по мере удаления ее от полости разрываю­щие жидкость усилия постепенно ослабевают и наконец исчезают, что и определяет верхнюю границу существования кавитирую­щего кольца. Внутренняя (нижняя) граница кольца определяется диаметром той начальной области, где прежде всего проявились разрывающие жидкость усилия, однако эта нижняя граница выражена менее резко.

Кавитирующее кольцо играет очень большую роль в процессе захлопывания кавитационной полости. Отдельные пузырьки кольца, находящиеся вблизи полости, под влиянием растягиваю­щих усилий расширяются быстрее других, и сжимающаяся полость при этом как бы растягивает их, в силу чего ее в общем правиль­ная сферическая поверхность искажается и захлопывающаяся полость приобретает самые причудливые формы. На рис. 1.4,6 по­казан один из возможных, случаев такого искажения полости. В ре­зультате при захлопывании полости могут возникать местные

Скачки давления, во много раз превышающие те давления, при которых полость возникала.

Кавитационное кольцо, захватывающее очень большой объем жидкости, является тем основным фактором, который, если го­ворить только. о влиянии кавитации, определяет многие хими­ческие процессы, происходящие при электрогидравлическом эффекте.

Свойства кавитационной полости, образующейся при различ­ных параметрах разряда, могут существенно различаться. Так, например, при работе на малых емкостях (жестких режимах) полость почти лишена продуктов газо - и парообразования и потому заметной плавучестью не обладает. Только при работе на больших емкостях (мягких режимах) значительное количество образующихся при этом газов и паров может придать полости некоторую плавучесть. Кроме того, из-за различия в плотности верхних и нижних слоев жидкости в зоне разряда при образовании полости верхние слои над разрядом, сжимаясь в одинаковой степени с нижними, тем не менее перемещаются от линии разряда, значительно дальше нижних, в связи с чем полость в верхней своей части искажается, становится несимметричной и при захло­пывании испытывает со стороны результирующих сил значитель­ное итоговое усилие, направленное сверху вниз. Таким образом, полость при работе на жестких режимах будет тонуть, совершая при этом одну (реже две) пульсацию,

При работе на мягких режимах при небольших энергиях импульса полость также будет тонуть, но уже после нескольких пульсаций. Лишь при больших энергиях импульса (на мягких режимах), когда ее собственная плавучесть окажется больше внешних усилий со стороны результирующих сил, захлопывающих полость, после многих пульсаций, и одновременно с ними полость будет всплывать.

Существует простой способ, позволяющий визуально наблю­дать кавитационную полость. В качестве источника питания лучше всего воспользоваться генератором импульсного тока небольшой мощности. Регистрацию возникающих разрядов (длиной около 40 мм) необходимо вести в закрытой, ванне из органического стекла, соединенной с вакуумным насосом. Источник света следу­ет расположить так, чтобы наблюдать в проходящем и отраженном свете возникновение, захлопывание, пульсацию и всплытие обра­зующейся полости (диаметром около 25 мм). Полость в этом случае не увеличивается более указанных размеров, потому что количество газа и пара в ней ничтожно мало. При пульсациях она сужается до 5—8 мм, что свидетельствует о присутствии в ней газов и паров, количество которых может быть достаточно точно измерено. То, что полость всплывает до поверхности жид­кости, совершая пульсации, подтверждает вышеизложенные при­чины возникновения тонущих и всплывающих полостей. На рис. 1.5 приведена схема наблюдаемых в опыте процессов.

При осуществлении последовательного ряда импульсных разрядов в жидкости каждый последующий электрогидравли - ческий удар может возникнуть только после того, как кавитационная полость от предыдущего разряда успеет захлоп­нуться, что и определяет возможную максимальную частоту разрядов электро - гидравлической установки.

Электрогидравлический удар даже в очень больших объемах жидкости вызы­вает появление давлений в десятки и сотни тысяч атмосфер, т. е. на два-четыре порядка выше давлений в канале разряда. Однако это противоречие немедленно исчезает, если полагать, что указанные выше давления в канале разряда явля­ются только средними давлениями, не распространяющимися равномерно на весь канал.

Известно, что давления в жидкости при осуществлении электрогидравлических ударов возникают вследствие передачи жидкости энергии от расширяющегося в ней с космической скоростью канала разряда. Расширение происходит за время несколько большее, чем длительность фронта первой полуволны импульса тока. Этот период ха­рактеризуется чрезвычайно быстрым нарастанием собствен­ного магнитного поля разряда и резко выраженными явле­ниями скин-эффекта, сопровождающимися перекачкой почти всей энергии, которую несет канал разряда на его периферию, и образованием на нем так называемой «скиновой рубашки» — материально-энергетической оболочки с давлениями в ней, на один-два порядка превышающими те, которые затем возникнут и будут зарегистрированы в жидкости. От оболочки к центру разряда давление падает настолько быстро, что в некоторых слу­чаях в центре канала может образоваться вакуум (отсюда сред­ние давления в канале разряда сравнительно невелики).

Скиновая оболочка разряда окружена исчезающе малой паро­газовой оболочкой — «ионной рубашкой», являющейся демпфе­ром, резко снижающим механический КПД разряда. Поэтому уменьшение толщины этой ионной рубашки является одним из наиболее перспективных путей повышения механического КПД разряда. Принципиальная схема структуры канала разряда и ха­рактер распределения давления в канале и окружающей его жидкой среде приведены на рис. 1.6.

Принципиальная осциллограмма совмещенных графиков им­пульсов тока и напряжения на рабочем искровом промежутке в жидкости приведена на рис. 1.7. Весь процесс воспроизведения

Рис. 1.6. Принципиальная схема структуры канала разряда и распределения давления в нем (Р|—Р5 — давления в соответствую­щих зонах: Р>=0-^2Х ХЮ6 Па; Р 2 — до 2Х ХЮ8 Па; Рз — до 5Х X 109 Па; Р4 — доЮ10 Па; Р5 —до 2- Ю10 Г1а; а — толщина парогазовой обо­лочки, а = 0,001 -:-0,1 мм; Ь — толщина скиновой обо­лочки; Ь = Ю'5-г - Ю”3 мм; с — радиус канала разря­да, с = 0,5-^5,0 мм):

1 — центральная часть ка­нала разряда; 2—скиновая рубашка — оболочка кана­ла; 3 — парогазовая обо­лочка

Электрогидравлического эффекта разделим на пять основных пе­риодов (стадий) —см. а— е на рисунке. В табл. 1.1 приведены обобщенные и усредненные данные о длительности стадий разряда для разных режимов.

На предразрядной стадии пробой шаров формирующего искро­вого промежутка или другого коммутирующего устройства приво­дит к резкому повышению напряжения на рабочем искровом промежутке. Напряжение мгновенно возрастает (начальный, кру­то поднимающийся участок кривой напряжения) от нуля до возможного для данного случая максимального значения. После достижения им некоторого значения, достаточного для лавинной ионизации, в жидкости начинают расти стримеры. Визуально стримеры растут от положительного электрода к отрицательному (фактически — из объема жидкости в положительный электрод). На рост стримеров расходуется энергия, и поэтому на этом участке кривой наблюдается небольшое (обычно не более 2—10 %) паде­ние напряжения. Рост стримеров сопровождается появлением тока в канале стримера, что фиксируется осцилограммой в виде полого поднимающейся части кривой тока.

Рис. 1.7. Схема совмещенных графиков импульсов тока и на­пряжения (а — предразрядная стадия; Ь — стадия переднего фронта; с — стадия заднего фронта; с1 — стадия последую­щих полуволн; е —г стадия зату­хания реакций):

/ — напряжение (С/); 2 — ток (/)

Давления в период предразрядной стадии невелики (вблизи канала стримера не превышают 50 МПа). Перемещения жидкости также невелики, практически их почти нет. Кавитирующего кольца нет. Звуковое и световое излучения выражены очень слабо. Дей­ствует быстро нарастающее мощное электрическое цоле. Магнит­ное поле ничтожно мало. Как только один из стримеров дорастает до второго электрода, предразрядная стадия заканчивается.

На стадии переднего фронта в канал стримера устремляется вся накопленная в конденсаторе энергия, ток быстро растет, достигая максимальных значений, что приводит к увеличению диаметра канала. Давления в канале резко нарастают и также достигают максимальных значений. Температура канала повыша­ется до 4*104 °С и более. Одновременно наблюдается резкое падение напряжения. Перемещения жидкости только начинаются, но вблизи зоны разряда они максимальны по ускорениям. Кавитационные процессы практически отсутствуют. Звуковое из­лучение нарастает, достигая максимума, но кавитации от его дей­ствия еще не выражены. Действует очень мощное, быстро нарастающее магнитное поле. Световое излучение достигает максимума во всем диапазоне частот, свойственных данному режиму.

На стадии заднего фронта процесс становится колебательным, ток и напряжение, проходя через нуль и меняя знаки, быстро уменьшаются. Давления начинают резко падать. Перемещения жидкости достигают максимальной скорости, начинается образо­вание кавитирующего кольца. Звуковое (и световое) излучение уменьшается, однако связанные с ним кавитационные процессы растут, нарастает также электрическое поле другого знака, стя­гивается и уменьшается магнитное поле.

На стадии последующих полуволн в колебательном контуре с большим затуханием, кдким является настроенный на близкую к апериодической форме разряда контур нашей схемы, обычно возникает не более двух-трех полуволн быстро затухающих колебаний. Эти колебания и составляют стадию последующих полуволн. Давления продолжают падать, испытывая флуктуации, перемещения жидкости достигают максимума по расстояниям. Бурно развиваются, пройдя через максимум и постепенно убывая, процессы кавитации в кавитирующем кольце. Звуковое излучение, испытывая флуктуации, уменьшается, резко ослабевают и связан­ные с ним процессы кавитации. Электрические и магнитные поля то убывают, то возрастают (с изменением знаков). Световое излучение интенсивно затухает.

На стадии Затухания реакций давления, так же. как и переме­щения жидкости, практически исчезают. Однако на поверхности жидкости (в зависимости от размера резервуара и толщины слоя жидкости над разрядом) наблюдается существующее в тече­ние некоторого времени волнение жидкости. Кавитационные процессы затухают. Остаточные электрические и магнитные поля, существование которых в течение этой стадии было обусловлено остаточными объемными зарядами в жидкости, по мере их вы­равнивания, исчезают. Возможное послесвечение (если какие-либо элементы жидкости могли флюоресцировать) исчезает. Стадия характеризуется быстро протекающими рекомбинационными про­цессами.

Отметим, что в момент возникновения пробоя на рабочем искровом промежутке одновременно оказывается' замкнутым не только разрядный, но и зарядный контур схемы, следовательно, на рабочий искровой промежуток поступает не только ток раз­рядного контура, но через выпрямитель — и ток трансформатора, величина которого ничтожно мала по сравнению с 'основным током в разрядном контуре схемы, но он все же вносит свою долю искажений в осциллограммы тока и напряжения, снимаемые на рабочем искровом промежутке. Во всяком случае, при полном устранении этого тока, «прорывающегося» в разрядный контур, вид осциллограмм (особенно для малых мощностей импульсов) заметно изменяется.

Трансформация электрической энергии в работу совершается в основном в интервале стадий переднего и частично заднего фронтов, захватывая конец предразрядной стадии и начало ста^ дии последующих полуволн.