基于分形理论的水中流注放电仿真研究.doc

分类号：丁卵密级：姓名名教导名称称皿年佯月乡日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。关于学位论文使用授权的声明 目中卫砺奂蚪椤中挝募扑恪到橹驶鞔中畏抡嫜芯肯肿础论文的主要工作和章节安排第二章基于模型的计算机仿真放电分形基本理论基于放电分形的计算机仿真过程模型的局限性 海弧 山东大学硕士学位论文计及气泡过程对水中放电的影响，在改进的模型的基础上，假设水中放电击穿的主要机理是离子传导电流导致的水的加热与气化，构建了考虑气泡过程的水中放电分形模型。利用工具计算机仿真了不同条件下的水中放电过程，并把仿真结果和改进的模型进行了对比。模型仿真得到的水中放电击穿过程很好地体现了水中放电气泡击穿机理。 ， 通道在极短的时间内获得大量的能量，从而温度达沽放电过程中水被电离汽化，放电通道内温度急剧升高，通道内气体受热膨胀；由于液体的弱压缩性，在液体介质中形成巨大的冲击波，并伴随强烈的紫外光辐射。同时，放电在水中形成羟基、过氧化氢及各种激发态的原子等，这些粒子大都具有很强的氧化作用。有机废水的污染源日益增多，带来了严重的水污染问题。传统的有机废水处理技术大都存在着对污染物有选择性、处理不彻底、会产生二次污染、设备占地面积大等缺点。而高压脉冲放电水处理技术是一种兼具高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解、冲击波、高温等作用于一体的废水处理技术，具有开发费用低、处理彻底、效率高、无二次污染等优点。由此可见，高压脉冲放电水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合，被认为是世纪废水处理最有前途的技术之一。杀菌消毒【。水中放电产生的强氧化性的过氧化氢、臭氧、各种烃基等活性粒子及紫外辐射都能够对杀菌起着直接的作用；同时，放电产生的冲击波也能对细菌的细胞壁产生冲击。 差很大的介质的交界面时，会因为不同介质各自的声阻不同而发生反射和折射。冲击波的这种反射和折射会在声阻高的介质中产生张力和压力。这种张力和压力使脆性物质很容易破碎。利用椭圆抛物体对冲击波的聚焦作用，可以对张力和压力实现定位。当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内被聚焦时，处于冲击波焦点范围内的结石就会在冲击波的强烈震动下破碎。且由于水介质的可塑性，液电成型加工可以适应复杂的工件几何类型。 山东大学硕士学位论文水中脉冲放电的研究现状 山东大学硕士学位论文精细的结构：哂斜壤韵嗨菩裕它的分形维数一般小于其欧几里德维 一步研究。分形理论是现代数学的一个新分支，但其本质却是一种新的世界观和方法论。它与动力系统的混沌理论交叉结合，相辅相成。它承认世界的局部可能在一定条件下、过程中、在某一方面翁峁埂畔堋奔洹芰康表现出与整体的相似性；它承认空间维数的变化既可以是离散的也可以是连续的，因而拓展了视野。如果不是用单位小方块去测量它，而是使用，的尺去直接测量，这就相当于 改写为：产，痩盒数法求取分形维数的思路是】：设放电树枝上的点构成集合，如果疘 模型汀 虑空间电荷的影响，也不能描述放电随时间变化的动态演变过程。针对模型的不足，本文在第三章对模型进行了改进。在计算电场分布时考虑了空间电荷的影响，并通过欧姆定律和电流连续性方程来描述通道内的电荷转移；引入时间转移系数矽，由空间各点的发展概率转化得到放电物理时间。用改进后的模型对水中放电过程进行了仿真，得到了放电在不同时刻的图像，以及放电通道长度、通道发展速度、通道电荷量等随时间的变化。此外，仿真还研究了外施电压和溶液电导率对放电结构的影响。 山东大学硕士学位论文对所有的可能发展方向；疋为放电电场的阈值，只有当某点的电场强度高于阈值 够式可离散化为如下的差分方程：图圆形电极结构中的仿真示意图 丫发展；二是在介质放电时，放电通道中各点的电位不相等，放电通道在发展时内部的电压降为丘，M滥诘绯。M莱。在实际放电中，电介质都有一定的起始放电电压。只有当所施加的电压超过起始放电电压时电介质内部才出现放电，并且放电通道在很多情况下也会出现停止发展的现象。有了上述两点修正，模型可以较好地对实际放电过程进行模拟。基于放电分形的计算机仿真过程概率指数反映了放电介质的随机多样性，它的取值决定于介质特性和具体 电时，可以先通过多次实验得到某种确定条件下放电图像分形维数的统计值，通结合的方法获得。在谥形颐墙n吹剑谄渌跫欢保珽增大到一。，：板极由图针板电极结构示意图 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文分形介质击穿模型是采用“步进式”发展模式，每一次只有一条线段加入到放电通道树枝中。这一步就是要从所有的可能发展点中选择一个作为新的放电发展点。在确定了每个可能发展点的连接树点后，即可通过式计算各个方向的发展概率。然后同样利用中的函数，由已经计算出的各个待发展点的发展概率对这些点进行选择，选出新的发展点，并由上一步中为此待发展点选中的通道点确定放电发展方向。这一步在新的发展点的选择过程中也体现出了概率的思想，并进而实现了模型的随机性。放电通道每发展一步，都需要修改边界条件，并对电位重新进行计算。放电 山东大学硕士学位论文模型仿真计算流程图 图针板电极下模型的放电图像图中挝鼶与生长概率指数叩的关系 故即反映了这种分形维数与概率指数的关系。需要指出，由于模型，图针板电极下不同阈值电场下的放电图像 珽痗 ， ， 本章小结长度不断增大。 山东大学硕士学位论文模型的局限性阂弧猵 其中，为电流密度矢量，盯为流注通道电导率。高的流注通道电导率是预击穿过程实验中的基本结论。文献认为，水中 式中每樱为点，诘诘恫降淖杂傻绾擅芏仍隽浚珹薄S式定义计算机仿真步骤骤也和模型的基本相同，所不同的是在计算出所有待发展点的发展概率后，需要利用式计算放电发展的物理时间；在得到放电时间后，要利用式计算电荷的转移。放电通道每发展一步，同样需要修改边界条件，并对电场分布重新进行计算。 仿真结果分析 通道电导率和空间电荷的引入还可进一步研究放电通道中传导电流随时间图放电通道电荷量胧奔鋞的关系曲线 图诺缤雷艹取辍中挝鼶与电压的关系 图不同电压下通道电荷随时间的变化关系 蒘，图不同溶液电导率下的放电图像图煌芤旱绲悸氏路诺缤雷艹热胧奔鋐的关系曲线 本章小结痵量 山东大学硕士学位论文第四章考虑气泡过程的水中放电分形仿真研究 蒸汽气泡形成过程的重要性。考虑气泡过程的水中放电分形模型和上一章中不同的是，对式离散化的差分方程将不可再用式。这是因为，如果考虑水中流注放电的气泡过程，则由于水蒸汽气泡的存在，水介质将不可再被认为是均匀介质。无论是阈值电场还是介电常数，蒸汽水和液态水都有很大的差别。因此，对于二维平面场，将式离散化为如下的差分方程：仍，紆仍，卅苂抽仍朋占，朋，肼 山东大学硕士学位论文为通道截面积。彤耻换】其中，甼一，琓及一。骤如下：算待发展点的发展概率，选择放电发展方向，连接新发展点； 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文仿真结果分析相一致。慕腤，图本章模型和改进的模型在同等条件下的放电图像对比 图两个模型仿真得到的放电通道总长度与时间，的关系曲线对比 山东大学硕士学位论文、一 本章小结 本论文研究内容总结模型虽然可以很方便地对水中放电过程进行模拟，但模型没有考虑空间电荷的影响，也不能描述放电随时间变化的动态演变过程。因而，本文在第三章对模型进行了改进，引入了空间电荷对放电的影响，通过欧姆定律和电流连续性方程来描述通道内的电荷转移，由空间各点的发展概率转化得到放电物理时间。用改进的模型对水中放电过程进行了模拟，得到了放电在不同时刻的图像，以及放电通道长度、通道发展速度、通道电荷量等随时间的变化。仿真研究了不同电压幅值和溶液电导率下的放电特性。结果表明，随着外施电压和溶液电导率的增大，通道电荷量和流注发展速度均增大，而放电预击穿延时减小，且计算得到的流注发展速度、预击穿延迟时间随水溶液电导率的变化等与已报道的实验符合很好。关于液态介质击穿的机理人们提出了很多设想。虽然至今为止尚没有一种模型能够为所有学者普遍认同，但很多研究认为，微气泡蛘呔植康兔芏惹是水中放电流注产生和击穿形成的起因。为了考察微气泡对水中放电的影响，在改进的模型的基础上，假设水中放电击穿的主要机理是离子传导电流导致的水的加热与气化，构建了考虑气泡过程的水中放电分形模型，并利用 本文工作的整体思路是通过整体上建立一个模型来表述水中放电过程，通过实验或者实验与仿真相结合的方法确定模型参数，通过模型的仿真来预测、指导实验，并进一步通过与实验结果的对比来完善、改进模型。但是，由于实验条件的限制，本文在仿真与实验结果的对比方面做得还不够充分。本文把主要的仿真结果和现有文献中的实验数据进行了定性对比，但还需要进一步的定量对比分析。所以，接下来的一个很重要的工作是有针对性的开展相关实验研究。水中放电是一个非常复杂的过程，虽然人们对各种放电特性有了相当程度的了解，但是对于流注通道的形成过程和发展机理仍未有很好的解释，理论建模和仿真研究还非常稀少。本文所用的分形模型，将放电的发展归结为电场因素和随机因素共同作用的结果，模型简洁方便，待定参数也容易测量，取得了很好的仿真效果。但是，尽管在模型中考虑了一些物理因素的影响，但模型对放电的微观物理过程仍缺乏必要的解释，对放电产生的强氧化性的微观粒子缺乏定量的描述。当然，现如今想做到这些还存在很大困难。这一方面是因为人们对水中放电微观过程的研究还很不充分，很多参数都是至今未知或是非常难以测得的；另一方面，由于水中放电中粒子种类和反应过程特别复杂，即便各参数已知，而采用气体放电研究中流行的流体模型、蒙特卡洛粒子模型等，现有的计算机计算能力会使得仿真时间过长。因此，现如今对水中放电的进一步仿真研究中，可行的方向仍是对分形放电理论的发展和完善。仿真难度也会越大。所以在之后的分形放电仿真研究中，要综合考虑各方面的影 山东大学硕士学位论文】甎 ，：琄秦曾衍，等高压强脉冲放电及其应用】北京：北京工业大学出版社，】甈坑忍亟穑诩疑海旱缧綧】北京：科学出版社，【】金明剑，孙鹞鸿不同参数条件下水中脉冲放电的电学特性研究】高电压恐焯疲跣慊罚徘歉龋龀宓缪瓜滤辛髯诺缣匦缘难芯俊綣】