[發明專利]一種水中納秒脈沖放電起始過程的數值模擬方法

在審

• 申請號: 202011348543.4
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112287620A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 李元;李林波;倪正全;汪鷺寧;溫嘉燁;張冠軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 北京化育知識產權代理有限公司 11833
• 代理人: 涂琪順

本發明公開了一種水中納秒脈沖放電起始過程的數值模擬方法，該方法對水中納秒脈沖放電起始階段包含的電致伸縮、空化和液體電離等基本過程建立了物理模型，利用有限元軟件對模型進行數值求解，在每個計算時間步內，模擬按照以下步驟進行：計算液體被拉伸后出現的壓強；計算水中出現空腔的數密度與大??；計算由空腔導致的液體內碰撞電離速率；對水中帶電粒子密度，更新電場強度分布，進行下個時間步的計算。本發明提出的物理模型可定量描述有質動力引起水中壓強變化和形成空化的動態發展，展現空化誘導液體電離的時空演化，為理解水中納秒脈沖放電的起始過程提供重要數據支撐和理論依據。

技術領域

本發明涉及高電場下液體電介質放電監測技術領域，特別是涉及一種水中納秒脈沖放電起始過程的數值模擬方法。

背景技術

水中脈沖放電是指水中電極間極短時間內放電形成等離子體通道的現象。脈沖放電時通常伴隨產生豐富的熱、光、力、聲學等物理效應，這些效應被廣泛應用于油氣增產、巖石破碎、材料回收及水下高強度聲源等多學科領域。除此之外，水中脈沖放電過程還會生成多種過氧化物、自由基(如·OH)等高氧化電位產物，在環境處理領域也具有廣闊的應用前景。長期以來，關于水中脈沖放電的起始過程，國內外開展了大量實驗研究，發現當脈沖上升時間縮短至數納秒甚至更短時，水中放電能夠直接在液相中產生，使得傳統的氣泡放電理論不能解釋水中納秒脈沖放電的起始。

然而，目前從實驗手段觀測放電現象(電流電壓波形、放電圖像等)，揭示水中納秒脈沖放電的起始機制還面臨諸多困難。由于豐富的物理過程發生在數納秒甚至更短時間內，通過宏觀現象能夠獲得的信息十分有限，例如，實驗中很難獲得亞納秒級時間分辨的放電圖像信息。因此，需要借助仿真手段來研究水中納秒脈沖放電的起始過程，通過對放電起始階段的物理過程進行分析并建立相應的模型，有利于提升對快脈沖下液體中電荷輸運、電離機制的理解，為合理解釋水中納秒脈沖放電的起始過程提供新視角，具有重要的理論價值和現實意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種水中納秒脈沖放電起始過程的數值模擬方法，對放電起始階段水中發生的電致伸縮、空化、電離過程建立了物理模型，可定量描述有質動力引起水中總壓強變化和形成空化的動態發展，展現空化誘導液體電離的時空演化，為理解水中納秒脈沖放電的起始過程研究提供重要數據支撐和理論依據。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種水中納秒脈沖放電起始過程的數值模擬方法，包括以下步驟：

S1，建立描述水中電致伸縮效應的流體動力學模型，基于水中施加納秒脈沖電壓后的電場分布，計算電致伸縮效應導致的局域水密度和水中總壓強；

S2，建立液體在所述水中總壓強作用下的空化模型，推導空腔的產生與膨脹過程，計算水中出現空腔的數密度和半徑分布；

S3，建立空化發生后的液體電離模型，計算空腔表面處種子電子的產生速率和種子電子在空腔中獲得能量引發的液體分子碰撞電離速率；

S4，基于液體分子碰撞電離速率，計算液體電離產生的水中帶電粒子密度，并更新電場強度分布，重復步驟S1-S4，進行下一個計算時間步的求解。

可選的，所述步驟S1中，建立描述水中電致伸縮效應的流體動力學模型，基于水中施加納秒脈沖電壓后的電場分布，計算電致伸縮效應導致的局域水密度和水中總壓強，具體包括：

所述流體動力學模型的數學控制方程由流體的質量、動量連續性方程和Tait方程組成，利用所述流體的質量、動量連續性方程計算有質動力導致局部液體運動，產生的局域水密度和壓強，引入Tait方程描述局域水密度和壓強的關系，以獲得水中總壓強，公式分別如下：