（机械设计及理论专业论文）电液压脉冲强极性活化水对混凝土综合性能的影响.pdf

中文摘要 摘要 混凝土怒目前世界上生产用量最大、厢途蔽广韵入遗建筑材料。与其他常用 建筑材料( 麴钢铁、本耪、握辩镣) 稽琵，混凝有蔟独特麓优点：生产能耗低， 原材料来源广，工艺麓便，生产成本低；具有聪久、防火、适应强、应鼷方蠖等， 这烂优点是其他建筑材料难以比拟的。混凝土仍将成为下一世纪用最最大、用途 最广的建筑材料已是人们的共识。随着科学技术的发展和建筑结构形式与造型的 多样讫，人们对混凝主的往髓要求越采越裔，要求材料在使用过程中健康、安全。 因此，人们对湿凝毒手糙进行有效地磷究秀发，龙葜是簿低水淀嗣鬟，黪低能耗， 减少环境污染，改善混凝土的性能，改善人居环境，发展绿色混凝土，扩大其使 用范围，对如此大舰模使用混凝土的我国，具有重大的现实意义。 基予电液压赫冲效应理论和混凝结构强度理论，结合磁化水强化混凝士理 论，本文提出利用电液默冲技术铡善懿强投牲滔纯承拌含混凝，来提蠢混凝主 的综合性能( 包括力学性能、长期性和耐久性) 的掰设想。文中较为系统、深刻 地分析了电液压脉冲制备强极性活化水的作用过程。在此基础上，本文从宏观和 簸蕊两方面探讨了电液压脉冲强极性活化水增加混凝土性能的机理，给出了强极 性滔讫掇裹瀛凝总髂力学挂能、长麓性积耐久牲的效采。实验结巢表翡：麓强 极性活化水来提高混凝的憋体力学性能、长期性和燃久性是可孳亍浆，效果是稳 定的。 关键镯；迄液歪菰冲，强极淫活化承，混凝主，综合性能 篓茎翌至 a b s t r a c t c u r r e n t l y , c o n c r e t ei s o n ek i n do fa r t i f i c i a lc o n s t r u c t i o nm a t e r l a l st h a ti su s e d e x t e n s i v e l yi nt h ew o r l d c o m p a r i n gw 氇o t h e rc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s c o n c r e t eh a s m a n ym e r i t s ；s u c ha si ti se n d u r a b l e ，c o n v e n i e n ta n ds oo n ，w i t h t h e s em e r i t s ，w ec a l l s u r et h a tc o n c r e t ei so n eo ft h ei m p o r t a n c ec o n s t r u c t i o nm a t e r i a li nt h ef u t u r e i ti s s i g n i f i c a t i v et oe x p l o r i n gaf e a s i b l em e t h o d t og e n e r a t eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n d h a r m l e s sc o n c r e t ei nc h i n aw h e r ec o n c r e t ei su s e do na l a r g es c a l e b a s eo nt h et h e o r i e so fe l e c t r o - h y d r a u l i c i m p u l s ea n d s t r a c t a r e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ，an e wg o o di d e at oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，l o n g - t e r mp r o p e r t y a n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t eb y s t r o n g l yp o l a ra c t i v a t e di sp u tf o r w a r di nt h e s ed i s s e r t a t i o n t h ep r o c e s so f g e n e r a t i n gs t r o n g l yp o l a ra c t i v a t e dw a t e ri sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , o n t h eb a s i so ft h ew o r k ，t h em e c h a n i s mo f s t r o n g l yp o l a ra c t i v a t e dw a t e ri m p r o v i n gt h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e , l o n g - t e r mp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t ei sa n a l y z e df r o m t h ea s p e c to f m a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cv i e w t h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a t u s i n gs t r o n g l yp o l a ra c t i v a t e d w a t e rt o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ， l o n g t e r mp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t e i sp r a c t i c a la n df e a s i b l e k e y w o r d ：e l e c t r o - h y d r a u l i ci m p u l s e ，s t r o n g l yp o l a r a c t i v a t e d w a t e r , c o n c r e t e , c o m b i n a t i o n p r o p e r t y i i i 1 概论 1 概论 混凝土怒现代主要建筑材料之一，也怒目前世界上生产量最大、用途最广的 人选材料【”。混凝主工程按零总楚伴陡着工程建设静需要葶鬟科喾援术懿发展褥进 步，因而随着科学技术的发展和建筑结构形式与造型蛉多样化，人们对漫凝的 性能要求越来越高，对材料使用过程中健康、安全、环境等方面有了更高的要求。 同时，人们已广泛认识到用高性能混凝土代替传统的混凝土结构和建造在严酷环 境中静特殊络捣( 翘跨海大桥、海底隧道、海上采溜平台、孩反应难潋及有毒有 害物质处理工程的建造铸) ，具有显著鲍经游效懿。近几年薅乏，人们慰漫凝楗糕 进行有效地开发，尤其是提高性能、降低成本、节约自& 耗、开发绿色混凝土材料、 扩大其应用范围，已成为国内外众多科技工作者所追求的目标 2 n ”。 1 混凝土的发展概况及其研究现状 混凝土作为土木建筑工程最重要的材料，自1 9 2 4 年水泥问世及随之诞生的混 凝土与钢筋混凝土以来，至今有近1 0 0 年的历史。与其他常用建筑材料( 如钢铁、 木材、堂料等) 福沈，混凝土有葵独特的优点：生产能耗低，原材料来源广，工 艺楚霞，生产戏本低；爨寿瓣久、防火、遥应强、应用方馕等特点纛备受建筑工 程师们的青睐。根统计，2 0 世纪6 0 年代全世界的混凝土的平均甥量不到2 0 亿蟪， 7 0 年代己超过3 0 亿吨，9 0 年代则达8 0 亿吨，到2 0 0 1 年融达1 0 0 亿吨，每年每 入平均消耗量为1 5 4 吨，这是其仇建筑材料难以比拟的。混凝土仍将成为本世纪 雳量最大、用途最广熬建蔬秘辩已是人们懿莛识f 】。 在混凝土使用的初始盼段，人们普遍使熙衰流蛙混凝，强度缀低。列2 0 世 纪中叶，由于混凝士技术和设备的进一步改进，混凝土向干硬性或半干硬性方向 转变，强度有所提高，但旖工难度也随之增加。近二三十年来，混凝土一直向高 强、辩久、轻震、多功麓、节能、快粳和流态的方向发震。高性能渝凝h p c ( h i 面 p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) 怒远a 年出现的漫瑕瑟燕释。由予它其有惑蠹砉久性，工 作性能好，高强度等特点，已在不少重要工程中被采用，如在糍层建筑、大跨度 桥梁、海上平台、漂浮结构等工程中都显示出其独特的优越性。在工程安全使用 期内经济合理，环境的逶应後等方面性能优异，函此被各豳学者认为是今后混凝 发展鲍灌点鞠方悫。 为了改善混凝土的性能，提高混凝的强度，传绞的方法愚采用外越划( 姻 减水剂、加速剂、延缓剂、越塑剂等) 和外加物( 各种纤维、矿物活性材料等) 来提高混凝韵往煞和强度，改善其和易性，凝结时间，在这一方面人们已取得 重痰大学硕士擎德论文 了很大的成绩。外力丑剡的出瑷改变了部分遐凝憨憨王工艺，外搠剡技术数邀展 也成为混凝土工艺技术竣重要的发展之一，然而外加刹的加入改变了原混凝土的 组成，使其工艺更加复杂，对现场施工要求更高，限制了它仅用于一些特殊要求 酶工程。乡 热籍； 孛类繁多，英应角特髓和使用范丽复杂，比衡配澍困难。在漓凝 建筑实用之蘧必须进行实验室试验，蔓重要戆是在饺鼹羚趣裁时可笼零l 趁严重 的副作用p 儿b j ( 表1 1 ) 。 表1 1 常用混凝二j = 外加剂及其主要作用、基本活性成分、产生的副作用 t a b l e1 1t h em a i nf u a c t i o n ，a c t i v ee l e m e n ta n ds i d e - e f f e c to f e o m m o nc o n c r e t ea d m i x t u r e 主要作用基本活性组分剽 乍用 本质素磺酸盐、羟基羧酸盐类、变俸 木质素磺酸盐可能会引气，并降 减 标准低强度，多羟基化台物掺多时会 葶辑生物以及多羟基化合物。 水 成为调凝捐。 惠效萘磺酸楚或磺化三聚鬣黢与甲醛戆蟾落度损失较快；当围露需要霉| 缩聚物。气时，气孔间距难以控制。 调促凝氯化钙、蚊豁钙以乃= 7 酥脆。含有氯化钙的促凝荆；会使埋入 凝缓凝 多羟基化合物；磷酸赫一类化合物。的金属件增加锈蚀的危除。 潋提裹木囊素磺酸赭可能会弓f 气，并降 穆强度 木质素磺酸盐、羟基羧酸盐类、变体 工 和衍生物以及多羟基化合物。 低强疫，多羟蘩化含掳掺多时会 成为调凝剂。 作减少( a ) 、磨细的矿物质材料。当用以置换水泥时，早期强度有 程离析( b ) 、s | 气表面滔往帮。 所损失，降低强度。 握怒减多羟基纯台物、萘磺酸捻或骥纯三聚 多羟基纯台麴掺多时会成为调 随水剂氰胺与甲醛的缩聚物。凝刻；后翘裹效减水裁。 强胶凝工作性和耐久性都可能商所改 凄树料 磨缨的矿甥震楗瓣。 善。 冷冻 魏 作题 术质树脂，蛋白质以及合成洗剂。强度降低。 蔷 濑差 耐 开裂 粉煤灰期天然火由灰材料；越佳并蘑晕麓强度降低；蜒镬爝毫发火由 久 骨料 澎骚 细的高炉矿渣：凝聚硅灰；控制条件灰活性的外加剂再掺减水剂孵 傲下燃烧所得的稻壳。 除外。 酸性 溶液 2 t 概论 另一神提高混凝土强度的方法是采用磁化水和瞧水拌制漫凝以提高鬟强 度。水流通过磁场切割磁力线，水即被磁化。同样，以一定速度流经电场( 该电 场具有特定的电压和频率) 可形成电水。由于磁化水和电水的一系列特性( 如密 度、糕涝度、表瑟张力、导奄率移p h 燕等) 发生交纯，琴暂用磁亿承藕毫水代替普 通水拌制漏凝，憋影响水泥的凝结、硬化全过程，使冀强度褥到提裹，困黪馒 其和易性、抗冻性、抗渗性也得到相应的改善。前苏联从1 9 6 2 年开始利用磁化水 搅拌混凝土，目前可增加混凝土强度遮5 0 ，己取得明显的经济效益。在我豳用 磁纯永搅拌滋凝土静研究年叠应焉起步较晚，八十年代方桶继开始。资确工学院等 一些毫梭积使用部f 1 从理论刻应耀均墩褥了一些戏果f _ ”。星藩实验结榘最多可撼裹 强度3 3 。至于对其增强机理的研究，国际上仍属空白。而且用磁化水搅拌溉凝 土的效果很不稳定，受外界因素的影响很大( 如当地的水质、气温等) 。因此， 其应用受到了鞭铺，难以推广。 绿上蹶述，采爆癸操剂照可改善溅凝主戆瞧能，提葛混凝主的强度。僵葵工 艺较复杂，成本较高。外加荆弛类繁多，选择配比困难且有副作用，同时，熟加 剂高分子有机物( 如高效减水剂中醛类缩合物) 易于分解挥发，外加剂中的矿物 活佼材辩含有少量踅金耩元豢其有辐射作甭，这些物质对人们的身体造成危害， 困露在越寒逮霪褫入屠环境瓣将来萁应焉将受蜀一定靛限锻。h 琴j 蠲磁讫承帮电求 虽没有改变混凝土的组成，工艺也比较籀单，适鼹范疆较广。键这葶孛方没的效果 受当地水质、水泥、气温的影响较大，其增强和效果很不稳定，有时甚至没有效 采，而且其强化混凝土的机域也还在探讨之中。这大大地限制了这种方法的推广。 1 。2 本课题职究的意义捆前景 综上所述，水泥混凝土是当今建筑工程中不可缺少的建筑材料，而禽性能混 凝土是2 1 世纪混凝土的主要发展方向。提高混凝土性能的两大方法：采用外加剂 和磁纯东、宅承来释翻浞凝，虽能改善漏凝土的性能，提高箕强度。值前一种 方法因一燃工蕊匿索、裁缝太、成本裹、环境污染严重等骧因【默，疆裁了它的瘟箱 范围。后一种方法的增加效祟很不稳定，受外界因素大不易控制，固难瞄推广。 目前，我围大龋使用的混凝土强度普通偏低，寻求一种经济、简单、有效、性熊 稔定和可靠且能广泛应用的新方法，仍是一颁急迫的任务。这也正楚本课题研究 麴晷蕊爨在。 本课题的意义在于：降低混凝成本，提裹混凝蛇蠼能，域少环竣污染， 节省能耗，发展绿色混檄土，改善人居环境，适我国可持续发展战略。改革开 放以来，随着建殴规模韵扩大，我国的混凝土技术得到空前的发展。2 0 0 1 年，全 露东混产豢5 ，3 亿睫，占整赛窳泥产量静三分之一，混凝主年使稍量约8 亿r n 3 ， 重获大学硕士学位论文 人均使用混凝o 6 m 3 。与此间时，混凝土的空裁使用绘环境造成的受莓是不鸯忽 视的。其负荷主要包括：生产水溅和外加剂需要消耗大量的自然资源和能源；排 放出大量的c 0 2 等有害物质。因此，降低水泥用量，改善混凝士的性能，提商混 凝土鼢强度，洚低麓耗，减少环境污染，辩翔诧丈麓模使瘸混凝土的我国，本研 究瀑题懿应用妻誊景是不可估璧豹吼。 1 3 本课题的理论基础、研究方法和任务安排 逛容器充戳定的奁流搿压电盾，通过鬣于液体中的两个电极产生脉冲放电， 把电寒器馕瓣闯释放爨寒，在滚体余震中产生强大熬薅壶渡，并伴随强烈酌磁 场、电场、辐射、趣声波等，这种现象称为电液压脉冲效成( 或电水锤、液中放 电) 。用电液压脉冲效应产生的强极性活化水来拌制混凝士是本课题的出发点和 理论基础。 磁诧求、嚷承之瑟戳能强纯滢凝，是由于磁场躐电场使承处予活纯袄态， 使褥混凝土中的水溅承他充分。参加化学反应款物体分子簧毙够参热化学反盛， 必须先处于活化状态，即先具有一个最低限度的能量，此最低限度的能量通常远 较分子的平均能量商，两者之间的差值即为“活化能”。活化能是指反应分子参 趣反随雾亨努须逾越静能蜂。经承活纯静方法有：加热法、磁亿法、电场法、超声 波法、激光法等。电渡歇冲产生脉冲敦电时，在滚体中形成等离子遂道，其溢发 商达70 0 0 3 00 0 0 k ，压力达5 0 0 l5 0 0 m p a ，势伴随麓极为强烈的磁场、电场、 超声波、辐射及液体的高速流和空化现象。所以，利用电液压脉冲方法活化水较 之磁场法和电场法楚更为行之有效的方法，厢电液压脉冲方法处理水强化混凝士 较之磁化求霹暾农强位混凝瞧是曼戈蠢效懿方法。 本文拟从理论和实验鼹方厦来研究和分柝电滚脉冲强化混凝土熬专f l i 理及缎 律。在理论上，通过对电液脉冲效废的物理、化学过程殿现象以及放电时的磁场、 电场、压力等进行研究，来分析电液脉冲效窳对水的活化效果；通过对混凝土的 物理力学憋能、徽鼹结憨及形藏过程、混凝主中东静存在形式的研究，来分析混 凝的强度；最后，结合上述薅方疆熬分莓亏，采壤嚷逛液鼹冲效应强纯浚凝瓣 机理。实验上，在现有的实验条件、测试手段下，主要研究电液脉冲效应对混凝 土各力学性能的影响和研究强极性活化水对混凝土的微观结构的影响。 邋过对本谋筵静矫究，本文所簧进行的工作安摊如下： 理论碜 突：以毫渡压熬 串效疲理论器漫凝维擒强覆理论麓蓦凝，缀合磁 化水强化混凝土的理论，对电液脉冲效应制餐的强极性活化水提瘫混凝土综合 生 能的机理，从宏观和微观两方面进行初步的探讨。 窀液压赫猝发生、渖装置的设计：魄液魇脉冲效应的充放电圃路电气参数确 l 概论 定；电极极间距离的确定；放电通道内等离子体导电率的确定；电液压脉冲效应 的压力计算模型建立。 实验研究：在现有的实验条件、测试手段的蒸础上，通过对实验结果进行 分搴厅来探索毫液压稼冲效应强纯溺凝的瓣律。 确认电液压脉冲效应活化水改善混凝熄熊，提囊其综会性耱的可行性积 优越性。 2 琏主液嚣辣冲效应基率理论及其对永豹侔瑶过摇 2 电液压脉冲效应基本理论及其对水的作用过程 2 1 电液压脉冲效应的基本理论 2 ，1 。1 瞧滚瘫脉冲效应摄述 如前所述。当电容器充电后，其电压达到一定值时燎邋过置予液体中的两个迄 极瞬间放电，从而把储存在电容器上的能量释放出来，在液体介质中产生等离子 体和巨大的冲击波( 物理效应) ，并导致液体介质性质的变化( 化学效应) ，这种 蕊象羲称之炎逮滚箍效应或蘸液藤稼羚技术雅o l 。 耀2 。l电波题脉冲效应蛇工馋原理圈 f i g u r e2 1t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo f e l e c t r o h y d r a u l i ci m p u l s e 踩 孛奄滚发生器；2 一谣燕器及满压变压器；3 一高压硅堆整流装置；和限流电阻；5 一电容器 “放电辅助空气间隙；卜电极；8 一储水器：弘尖电极；l 队活化水制冬装置 如凿2 1 所示魑电液压脉冲效应的工作原理图，它是由脉冲电流发生器1 和 溪佬永毒i 备装黉i g 缀残。辣挣电流发生器l 是壶调压器及高压变压器2 、高压硅 堆整流装鼹3 、限流电陡4 、媳容器5 翻教崽辕助空气阅熬6 组成；滏化承剑备装 置l o 是由电极7 ( 可以是平板电极也可以是尖电极) 、电极9 及储水器8 组成。 由高压硅堆3 熬流所获得的高压直流电向电容器5 充电，当5 上的电压足够高时， 箍韵溺豫6 棱齿穿嚣通，并使主闻陈( 豳电裰7 和9 缀成) 击穿，从而使储存在 电容器中的绝大部分能量( 1 + 5 5 k j 瓣耀( 数十g s ) 在圭阉豫孛释放，形残等 离子活塞并以每秒数十到数百米的速度向外迅速膨胀，压缩周围的不可压缝分质 ( 水) ，此时所产生的冲击压力其峰值可高达1 0 10 0 0 m p a 。当等离子活塞的压 力枣予舞秀压力对膨胀停止，桓在惯性作用下液流将突然闭合而形成空化流 ( c a v i t a t i o n sf l o w ) ，蒡 乍反蠢运动，簌嚣使等离子活塞内静基力又急捌增加并再 次膨胀。这一过程将重复数次并随时间的增加两逐灏衰减。电液压歇、巾效应 乍孀 重庾大学硕士学位论文 时，由于放电持续时闽极短，瑟以尽管毫容器中瓣诺戆不大，但却姥在工作黢室 中产生极大的脉冲功率，形成等离子通道，通道内液体介质电离并气化，温度急 刷升高，使得通道内气体受热膨胀，但通道周围液体介质的惯性作用总是阻碍通 道的膨胀，从丽在液体介质中形成巨大的冲击波，同辩还伴有强烈的电场、磁场、 光、声壤射，激及滚体的裹逮滚霸空纯现象。综上溪述，滚液嚣稼冲过稳乃是集 强电场、强磁场、趣声波、光辐射及空化滚于一体的过程，它馒水的特性发生巨 大改变。 这项新技术是由前苏联技术科学副博士硎阿尤特金于1 9 5 5 年发明的，他 在这个技术领域内获褥了1 2 8 项教瑟茅霹许多专稠h “。电液惩赫冲效应当静己在工 业、科学、医学、军事、农业等方嚣获彳寻了广泛静应用，随着程学技术的发展， 其应用还在不断扩大之中。 2 1 2 电液脉冲效应产生的条件及其影响阂素 长麓戮来，有搬多久对液中放电静闷题徽过大量的研究工作，僮是大多数都 把波中放魄箍述失一秘极为筵攀魄现象溉不会产生垂大翡撬械效应，氇不会 有强烈的化学效应。一般的高压试验室常见的液中放电也确实如此，直到翦苏联 科学家尤特金经过长期摸索，找到了使液中放电产生巨大机械效应的一套方法詹， 电液匿效森方逐渐为人们所认识。 图2 2一般直流击穿方式 f i 婢2t h e m o d eo f d i r e c t - c u r r e n t sb r e a k d o w n l 、盛滚糖2 、液中鼓电闯黢 圈2 3 带辅助间隙击穿方式 f i 9 2 3t h em o d eo f g a pb r e a k d o w n | 、主阕骧2 、辖嚣闻禳 为什么液中放电一般嚣不到电波压效应呢? 原因是液中放电时，电火藏的浸 发达几千度，使周围液体汽化，在放电通道周围形成一层“蒸汽垫”，“蒸汽垫” 的存在，阻止了机械效应的向矫传播。如何不让“蒸汽垫”产生，或者使它不要 太t 蕈嘴? 经研究和实验认为，虚使电容器上魄压突然热在波中的放毫阕隙上，藤不韪 8 2 亳液压脉渖效应基本理论及其对零静 乍瘸过程 从零值逐渐升高直至间敬击穿。因为后一科l 放魄方式，在闽隙未击穿之茨，旱己 在电极附近产生了局部放电电晕放电，这种预放电在水中产生汽泡戚蒸汽， 以致妨碍了主放电时机槭效应的传播。敬采厢一般液申尊流击穿接线方式( 图2 2 ) ， 是鼹以怒至l 奄液压踩洚效应静。丽采鬣圈2 。3 示的接线方式就不同了，当泡容器c 上的电压舞赢时，由于辅助阀隙的电吸比波中阐黢的电匿丈缮多，疑以佟周在滚 中间隙上的电压非常之小，根本不会发生什么预放电。这样，就能大大她增加主 间隙放电时产生的机械效应的强度。 同时指警，采耀辅劝闯潦还有其镶用途f l 。： 当主阀隙魄大小保持不变时，只要调整壤助越陈，裁可以控制电淡电藤或 放电电流，这是因为在放电前电源电压差不多是全部都加在辅助问隙，待电压舞 高到辅助间隙击穿电压时，辅助间隙首先放电，电源电压突然加在主间隙上，并 使之随邵发生放电。所戳改变辅韵闻隙的鬣，可以在相当丈的薄围肉调节直流电 源魄压，从恧调节了赦逛电流窝毫渡悉效应懿强度。 消除了放电前由于主间隙因预放电所造成的电能损耗。 由于电液压脉冲效成的瞬时性和不稳定性，对它的研究非常困难，大多数文献 都慧疆瘦用为背景从菜一个翻面进行探讨。而且，放电中出现的各种现象，如电 击穿积款毫遗遂的形残；逶遂蠢麓量熬释敖；光、超声波戆辐麓；空澄酌膨胀和 液流的闭合；空化沆的形成嚣，都与大量的因素有关。有时，这些因素数星越过 四十个【1 3 】，其中主臻的因素有； 脉冲电流发生器充、放电阐路的电气参数( 电压、电容、电感、电阻等) ； 主工作离豫翡参数( 辍阕巍和窀稷静形状、材料、尖端精率半径、未被绝 缘僳护的表面积等) ； 放电腔室的参数( 形状、尺寸、材料) 。 充、放电回路的电气参数和主间隙极间躐在后一章节里面有时讨论，其它主要 参数在文黻娶4 l 中有掰叙述。 2 。1 3 电液压脉、枣的物理效应作用过程 电液压脉冲效成过稷包括物理效应( 产生等离子体、巨大的冲击波、强烈辐 射、强电场及强磁场等) 和化学效应( 液体介质性质的变化) ，研究电液脉冲物 理效应醴及它们的特点，才能对电液压脉冲效应对水的影响有全面的认识，主要 包括以下几个方瑟。 气、液间隙走穿理论 当施加在电介质上的电场强度增大到一定时，电介质使由绝缘状态变为导电 状态，这一跃变现象称为电介质的击穿。介质发生击穿时，通过介质的电流剧烈 她增龆，缀监常潋铰安特经崧率趋予零f d w d t _ o ) 俸为击穿标恚。 重庆大学颈士学位论文 1 1 气体击穿理论 气体放电，又称气体击穷。正常情况下，气体的载流子是由外界电离因素产生 瓣。一黢正零祭俘下，气髂巾戆鼗滚予缀少，在场强不太蠢簿，逶过气窳涎奄浚 鄂达琵帮。当电篷蹭至菜漆器值时，气体分子中密蕊磁撞毫离，载流子浓度迅遮 增大，魄涟上升，气体幽弱电导盼段转入强电龆黔段，蹲增麴电压达到 f d v 瘫一国，气黻中爨现火蕊或阗竞，鄹发生了气体放电( 露2 ；4 。穗应予特缝 赫线o a b 段酌放毫称为非爨持藏魄，辫梵在该段，气稼中的电流楚踺j f 外部电离觳 豢涤定的。c 点潋后称为鑫持敛电。在避阪，放电电流枝与回路本舟有关，无需 外部邀裹溺素维持放电，开始蛊持放电靛奄匿瓯舔为起始壤匿。 豳2 4 气体放电伏安特性 f i g 2 4t h e c - ve b a 徽诧如畦eo f g a sd i s c h m b = 根据气体放电现象的不网，大致可分沩以下凡秘教电形式： a 电肇放电( o a 段) 当电极的曲率半径很小时，电场极不均匀，这时的 敬魄楚电掇瘸凌鼹遥鑫袋港簸色徽巍，劳发窭声巍。黧不撵离毫歪，羧迄藏蜀鼹 在较，l 、的蕊国，成为局都敞电。裔逶装爨鹃导体尖端，常出现这种形式静放电。 b 火旋放邀( b c 段) 当懿匿增凝楚定骧黠，气熬中突然燃魏爨嶷熬火 蔼，火花淘怼嚣瞧援辞袋爨缓竞素，这瓣火蕊会辩瓣蟋灭，接藿又突然发垒。这 种散魄多笈生在常压附近，怒高压实验中常觅的磷象。 c 辉先放电龟板闻玛现均匀的、鲷暗福间的几个辉先区，遮时井电路电 溅不丈，电摄瀑嶷毽不毫。鬻雀甄邀歪下发生。 d 。电器款毫( c d 莰) 当憩源功零避够大嚣鳋彀辩龟殖较小耩雩，气藤发生 火花放电之后，靛展到对面电投，形成非常明亮的连续弧光，电弧濑度极高。 其中，电肇放电为菲自持放电，辉光放电和电弧放电为自持放电，而火花放 魄粼鸯二喾靛过泼除爱。 2 电渡噩辣冲效鹿基本理论及箕对东麴作捌过程 2 、气体放电的汤逊准则 当电场足够强时，由于碰撞电离作用，气体电子数目将由一个增为两个，两 个变为豳个。如果电离系数为口，剐从阴极出发的个电子经过单位距离后就增 为2 8 个滚子，电子数譬翅诧逐速熬增长过程称为电子痿。崮予毫子碰撞电离时， 电子和正离子成对产生，但电子运动速度快，所以电子仪位于接近正极敷一端， 称为崩头，而离子的运动速度慢，近似看成留在其产生的位置上，称为崩尾。 在均匀电场中，可导出极问因碰撞电离而导致的电流密度倍增关系：“= e a d ， 其中矗为气体在低电场时静锪帮电流密度，掰为碰撞电离系数，d 为闯豫距离。当 d 一定瞅，群越大，电淀售增越恢。露g 是近似予睫邂场强度以指数矮德壤长静， 所以外电场的增加，将使气隙电流猛增。碰撞电离的这种倍增作用也可羲成慰内 放大作用，外界使气隙产生一个电子，只要这个电子受到足够强的电场作用，立 郢就会产生许多电子，觚而使电流迅速增大。 隧饕放电趣骧上羚攘加逡浚黪增麴，阕豫亳滚鬯不颤增燕，在达至l 淘鸯掩往 放电发展的突变点之前，汤逊放电电流可用下式表示： j = 如 一 ( 2 ，1 ) 式中：口碰撞电离系数； 矗麓陈鞭离； r 每一个入射正枣子搜搦极辨释放妁奄子数； 上式表明间断放电向自掩性放电过渡时，是伴随间隙突变的，在突变点，i 电 流值是不确定的，上式分母为零，也就是r f 8 “一1 1 _ l 或者说r e “近似等于1 ，因 为e “ l 。理论上就时电流值应为无穷大，但实际上受到岁卜回路的限制，汤逊把 上述条俘定义为敷瞧起始条传，对汤逊羧毫准则可孛# 黧下谈龋： 8 。r 矿。 l 时，继续产生的电子崩使游离过程不段累积。放电发展越来越快， r e a d 毽跑i 大镣越来越多。 3 ) 液体击穿理论 关于液体击穿理论研究比气体击穿理论发展德快，近十多年来对液体击穿的 重庆大学疆二壬学位论文 规理作了许多方茸的研究，概括起来可以分为两类：一秘避论是裂用模型解释液 体击穿，这种模型是以传导电子在外施电场中引起电子崩游离为依据，假定电子 是由阴极发射的( 场强发射的) 和电子在电场作用下增强的热游离效废作用下( 肖 特基效应) 逸蹬表瑟静；另一稀毽论鬟认为由于在液体中形成气泡，产生了气泡 击穿理论，苏联科学家尤特金对气泡壹穿理论也馋了深入黪磅究。 电子狸击穿：对于阴极上的电流，研究了场强发射和在电场作用下增强的热 离子发射机理，关于绝缘液体在高电场下电导的研究表明，许多关于电流的实验 数据符合搿特藜方稔： ，= e x p f 半i 纥： ( 2 2 ) 式中：五= a t 2e x p ( 一叫焉汀) 表示热离予发射瓣宅漉密发； e = m e a 击穿电场强度( m 为倍增系数，最为外施电场强度) ； 式( 2 2 ) 与温度密切相关，但是，在较大温度范阑内的钡9 量表明，液体的击 穿电压与滋度无关。这表弼，阴极过程怒由场强过程丽不是热离子发射决定的。 魄子一经注入波体中，使从电场获彳寻麓爨，在电予型壹穿鹫论孛，镁定一些 电子由电场获得的能量大于它和分子振动碰撞时的损失，这些电子一直加速到足 以使分子游离的能量并形成电子崩，即形成电子崩的起始条件为： 解五= c h v ( 2 3 ) 式中：e 努挺电场； 丑电子的平均自由褥程； y 使分予游离的损失能摄； c 为大于1 的麓数： 气淹交穿：实验表臻，滚体击穿场强与冀压力密留辐关，在击穿过程的稻羿 阶段中可能已包含毒状态变 七，在气泡击穿枫理中，气泡可由以下任何一秘过稷 形成的：电极表面的气孔；空间电荷的静电斥力可能克服液体表丽张力而逸出气 体；电子碰撞使生成物离解气体；电极上的质点和表面不规则产生电罐型放电使 滚体汽纯。 当气泡一经形成压，窍趋囊沿魄场方囊救长以使冀在毫场中豹势撬为矮毒， 为了获得击穿强度，假定汽泡的体积在拉长时保持不变，汽泡击穷场强可熙下公 式表式： 1 2 2 电液匿融狰效应羹奉理论及荬对承麴捧鞲过程 舀。南 掣医 式中：拶液体表面张力； 1 矿 ( 2 4 ) ，南分鸯彗为液体静奔邀常数； ，气钵静初始半较； k 汽泡上戆疆降； 上式表硝渡傣淹穿瓣錾器场强与汽泡漪初始大小有关，外赛篷力晕酲激度都对 汽泡的大小产生影响。 放电通道的形成及其特点 采用图2 1 所示系统，在盛水的工作腔室内便会产生电液压脉冲现象。液中放 亳时电蜜器中储能佼敦电通遂肉瀚介艨分子电裔形戒辞离子体，等离子体吸收能 量温度升赢，从嚣使放瞧通邀( 等裹予体遗塞) 周强波体余覆被汽优，逶道以空 腔的形式快速膨胀，而通道周围液体介质的惯性企图阻止通道的膨胀 1 “。因此， 通道有个膨胀、收缩过程。当通道内能量大量释放时，它的膨胀速度可超过液 藩静声邃，并戳激波酌形式迅速向通道璃萄液体传播，形成第一个压力峰值。空 腔的膨胀要持续到窆照内救羼力小于夕 赛压力酵才箨盘。此时交于镄性作霜蔼发 生液流闭合，液流反向运动使空胶内的压力再次急剧增加，通道内产生筻二个压 力峰值，上述过程可能煎复多次，其脉动的程度随时间的增加而逐渐衰减。前苏 联己用高速摄影视证明了这些现象的存在。 火花靛迄隧时趣懿发震避程实际上是辔助予稷阕遁道电子裁秘逐渐增长蔼形 成的。由予是在水中放嗽，电子崩的发展通鬻是出很多分支的遗道发展越来鳇， 每一分支的尖端是一个间断发展过程，这是由于在电子崩行程上批又一批o h _ 在连续分解，而电子崩中电子碰撞游离过程星指数发展( 1 q ，使得阳极附近的离子 浓痊最亵，正离子魄蘅会弓l 莛径商鬻辘商奄场的磷交，绩头处静靖变最大。放电 发展的特点和几个阶段如图2 5 所示。 由于电子崩形成的通道里只有o h 一，h 离子，电子剧的增长过程是中性的， 也就是说在电气上它是中性的，通道与闹围介质怒电气绝缘的。 在毫予囊增长静过赣中，产生一些鞭气袄物为主的物质，这些气状物进而形 成火兹救魄通邋的蒸汽一气体麦。在电子痿叉墨处液钵是群形残躲气泡，在电子 崩长大时减少以至消失，这些气泡在放电时会很明亮，呈橙黄色或紫红色。脉冲 放电参数不同，就可能产生不同形式的火花通道。 一。 压 重庆大学硕士学位论文 国2 5 电子魏及其爝淘气膜壳麓展过程 f i 9 2 5 t h e d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f e l e c 口c o l l a p s e a n d g a s f i l ms u r r o u n d i n g e l e c t r o n c o l l a p s e a 、电子崩( i i v ) 分节发展的各阶段情况b 、第v 阶段情况的放大图 c 、第v i 阶段情况的放犬瞄 l 、电子崩一侧驰分支2 、电子崩主予上的气膜瓷3 、电子嶷主遥道 4 、电子崩分支通道s 、电极6 、气膜壳 放电辩空纯腔室的产生及其特点 逢子旋透j 霪液体( 墩) 时，滚体离子蘸苏一个 牵绦戆惫极，减缓了亳子痨豹 长大，在放电流层表面形成一层薄的绝缘气体膜，使所形成的电子崩主干秘分支 与周围流体分开，它能增加整个过稷的效果。绝缘膜中原子和分子态的0 、h 以 及中住的自由鏊h 、o h 并存予水蒸汽中。由于电子崩的增长不仅随空间而且随时 阕两变亿，菪它较露裂存在戆辩闯藏较长。在敖窀对款正电裰端都分离密静夫嚣 分支，在形成主放电通道后便消失，睫魑，遗些分支故气艨麦裁集结在主放电逶 嫩上，使之变得更粗( 见图2 5 中c ) 。 腻电极间液体中形成电子崩的瞬时来看，最初阶段主要形成空化腔室，此时 羧室是一薄壳，它琶盈着瞧子演黪遴遭，它的存在说明在通道表谣发生了分离现 象，芳在其闻释放出蒸汽泡， 迦时黢室内匏篷力棼豢，l 、。腔室熬增大是与放电逶 邋直径的增大一起开始的，这时电子崩邋道将两极短路，依靠自囊击穿形成火花 通道。通道温度怠剧增加( 达40 0 矿c 以上) ，并产生附加物( 液体或液体中的其 它耱蕊分解形成静) ，这擅辩船耪的产生便压力急增，但通道周溷的流体黻止这 一急剧膨账过程，歇嚣捉馊赦魄逶邋痰黪压力进一步增麓焉馒掰发生熬过稷具有 爆炸的特点。 被击穿的液体不断被加速，它们从放电通道中心线向四周很快扩展形成腔室。 1 4 2 电液压艨狰波应基本理论聂冀霹隶鹃箨糯过程 通道气膜壳( 电子崩时主要是气体，火花放电时主要是蒸汽) 是一个与周匿介质 在电气、热力方面的绝缘套，包括辐射时所产生的热损失，但当压力明显超过临 界值时，蒸汽和液体己无分剐，这时气膜壳可隧不出现或只在某些特定脉冲参数 时，才出瑷。在蒸汽一气体膜壳两穆震懿状态是不均匀靛，叠j 等离子俸状态平滑过 渡到液体的正常状态，随着通道轴线到翳研究的区段层的运近丽变化。通过带有 弹性的蒸汽膜壳把能量传送给液体，这个过程不仅是在通道直径增加时进行，而 且在通道直径不脊增加的一段时间内盘在进行。放电通邋直径增加时，蒸汽膜壳 静| 萃疫并不怒与它藏跣键静堵鸯蟊，实际上是保持了一个常数，在某些条件下，甚 至还会减少。正因为如此，才能保 歪蠢一瞧定条传搬压力传送绘周圈液体，傻它 不仅在通道膨胀阶段，也包括膨胀后的某段时间内都能进行压力传送。在液体冲 击波的作用下所形成的空化腔室，可能被中断城消失，随冲击波的运动它所携带 静麓量造成浚尾豁波动。当空讫脏室边界箨正扩张运动，腔室溺合，被压缩的液 体的能爨逐澎转变成为反向波，帮憨热在黢室边赛上，这就是敖迄辩凡乎掰窍酶 能缀都向腔体方向减弱的原因。在每次循环中，腔室的产生和闭合实际上都在放 电隧域附近一个比较小的范阐内。 整室闭合的开始瞬瀚，雩i 超周豳液体介质在界面处发生球形膨胀，这时将形成 一个空化环，环悫窍戏予上万个空化瓣气涤，奁中心线跫藿妻子藏逛线。当黢室 界面膨胀时，随其距脏室距离的增加，液体的力量逐渐减弱，以至消失，从露确 定出空化环的外边界。空化环的内边界决定于初始区域的赢径，初始区域指首先 出现液体力量开始减弱的区域，假内边界表现得不很明显。 空他巧在空讫腔室翅合过程中起蓍菲常重要静佟蹋。在蕴蜜辩近处静环上， a 、腔赛闭合时空化环产生的情况 b 、在空他环影响f 腔室髓变的情况 图2 6电液压脉冲作用时的空化效应 f i g 2 + 6t h ec a v i t a t i o no f e l e c t r o - h y d r a u l i ci m p u l s e 1 、电极2 、空化腔逝3 、空化环4 、空化的汽泡5 、空化被拙长时的汽淑 菱痰丈学矮士学位论文 各个气泡在张力的影响下迅速膨胀，从蕊压缩空气腔窥，馒其正誊的环形表面溪 曲嶷形，如图2 + 6 b 所示。由于腔室闭合肘可能引起局部压力激增，比空脏所产生 熬压力蠢辍多蘩。不疑藏电参数下落藏麴蹙能整塞夔瞧联可蕤完垒不嗣。爱嚣，穰 释麓夸薅( 剐髓工城) ，空麓海是少数敬气钵翻蒸汽产襁，箍室没谢鞠显熬飘浮 悭；但当大容鬣工作畦( 款姆性工况) ，警腔内产生大量气体和蒸汽产物，使它 其露一定麴飘浮性。此辨，嶷于放逛区域浅空殪上层秘下屡受到搬耀的匿缤，蕊 敞电线可鹾认为大致不变，溺此後上屡豁羧窒发生歪瑟箍不对称；黼台时它所爱 瓣罄方蘑豹合力送远大予向上 乍霜粒浮力。觳此，在特健工况下，脏室会湮灭， 此对只完成一次贼魂。 歇籍缝露，巍躲 枣戆鬃蠢、辩，荻室溺褥会灌芡，不避郡怒在死次躲秘懿螽者4 发 生的。当脉冲黥蓬较大时，它本身的飘浮性大于阁腔寨闭台所产生的合力时，胶 变将会随躲动向上飘浮，如鞠2 7 所示： 王23 4 5 6 7 8 g 王o 羔羔 翻2 7 空他腚盔豹脉动过程 f i g 2 。7p u l s ep r o c g s so f c a v i t a t i o nc b 8 臌d e f l 、液俸2 、脏窝碱戈3 、腔室迭缘擅溅情撼扣1 0 、腔塞黪胀戮避缝戆发震穗濑l l 、电掇 救邀通道内熟压力、冲壹波豹形成及箕扩展魏缮 当液体中介麓中静电投闷藤被诲穿舔，形成等离予赦龟通道，它篡有离温鬻 压静特征，将教生掰烈翡澎涨。随着澎黢稔菠的丽深，邋道内的舔力氆随着降低， 并且在蓁一对剩，它与辨爨熬压力掇等。墩予末熬扩数暴鸯搂莛熬缘簸，拔电邂 邋褥壤续膨袋，这菠逶遂斑煞鹾力簿型院罐嚣滚髂奔囊黪疆力还餐鬣，逶遴静澎 胀过程直至0 膨胀速度为零时才结束。此尉，通道开始收缩，其压力也随之增加， 捌粲一时刻，通道内援力又与周围介质压力褶等，同样豳于液体的惯性作用，通 避漆继续蔹垂缭，蹇鬟逶邋懿膨胀邃褒为零辩为壹。逮辩遴遂熬凄鹩第一令循环 2 窀渡嚣黥跨效应基本瑾论及箕对求瓣器藩 过程 兴 嘲 一 繇 * - 士圭 旷 时闻：l i 0 0 0 秽 图2 8 通道半强随时闻交他的敞线 f 逸2 8t h e c h a n n e lr a d i u sc h a r g e so v e rt i m e 结寒。噩乇时谶为逶道由压力比周糯介质的压力大，予照又膨胀，开始了新一辘的 谨舔，壹至l 憝餐全部衰减为也( 鼹2 。8 ) 。在深求爆炸孛，可叛溉察粥这样翁往麓 缀丽嘉数十次之多。 通道踩动辩，承中蒋形成稀疏滚帮逶力渡，稀疏波瓣产生与舔浚递遂体积黪 胀的最大值桐艨，而压力波螂与每一次的最小值相对艨。在深水中，通道第一次 赫凄引越熬簸太基力不超过狰毒液压力酌1 0 2 0 。麓2 9 表示压力与时间关祭。 l 醋2 9 压力萼鞋翔关系鼗线 f i g 2 9t h er e l a t i o n a le t l r v eb e t w e e n p r e s s u r ea n d t i m e 如果菜一质点在介旗中弓f 起扰动，并可以传递绘髑围介质，强造周隧质点产 擞扰动，这样的传播过穰就称为波。液中放电通道彤戚后，由于就猩液体中产生 貔凑+ 麸褥形成滚。霆鼙效黥功率缀太，瞧放电通道彝羚穆撵戆裁是潦壹波。豳 予赦毫通道的不凝黪薮、牧缭，这样透邋簿次黪糍辩使产雯一个新瀚挣壶渡，予 避，与第次膨胀肘产生的艨冲击波相瓣照，产生一个次级压力波惹。搌握它们 产嫩的先骺顺序，次级波具肖越来越小的能爨，第一个次级波的最大超压仅为愿 警强壶渡熬5 0 ，姨嚣筑次缀波魏踅歪迩瓣攥。巍逶遵瓣逡，淡缀波在波箨瑟上 重痰大学颟士学位论文 不盟示超压和其它状态爨的盼跃变化，因蕊电液压效应中鲶极械l 乍越主要与艨生 冲击波有关。下蘑讨论冲击波的传播规律。 冲击渡匏耱瞧，蹇秘玄懿奁奔霞孛麓澎凌帮交讫，蓑先鼗决予奔矮本身翡茬溪。 为逶镄理髂寝力波觞辊翻，必须知遂介簇的一般基本特鬣，它们可罔拶f ) 来表示。 邀服仃是全方向体积压缩时魑应力( 压力海正) ，0 黢汞娟慰傣积变形( 体积减小 时为正) 。对液体帮气俸辑卷鞠的一般关系魏塑2 。i o 所示n ，】。 裙黠蒋菝变嚣擎一 搿2 1 0 麓应为与相对体积变形的美系 f i g 2 t 0t h er o t a t i o n a lc u r b e t w e e n c o m p r e s s i v es t r e s sa n dr e l a t i v ev o l u m e d e f o r m a t i o n 矗 冀e o g l6 u 斓9 * 卜翻艇一。 2 1 1 质灏流动简图 f i g 2 1lt h em a s sf l o w s i m p l i f i e ds c h e m a t i c 此外，我们簇知道决定纵波中法岛1 陂力靛传搂速度，考查缎岛冲击波中摹谯 攘藏霞上静震点滚动( 墅2 1 1 。无鞭，l 、参数d c r ( t m g ) 稷矗( 霞赢遽度) 静渖 潞液传播速度澄流动方向传播，当波弼达流动的菜定点时，该点的密度口增 誉p + d p 。在时剡t ，无戳，l 、游波懿波薄瓣到达截繇剧， 磊在薅掰f + 摩到达截弱 c c ，在霹裁t 愆予麒焘截蕊麓覆赢经簿蠲麝嚣裂运藏嚣b b ，莠走避距离交癣， 谢裰据质量守馕和动最守恒定律有： p n d t = ( p 十d 尸) ( 一d u ) a t ( 2 5 ) p n d u = d c r 忽略式( 2 。5 ) 中灼= 次联，则褥： n d p = p d u 0 ，a d 0 2 0 ，且d 酬d