Наука

Физическая модель высоковольтного импульсного электрического разряда в жидкости (ВИЭР).

Электрогидравлический эффект (электрогидроимпульсный эффект (ЭГИ), эффект Юткина) представляет собой комплекс сложных и взаимосвязанных электро-физических, физико-химических и гидродинамических явлений, происходящих в жидкой среде при ВИЭР. Неустановивишийся характер и различные временные масштабы указанных явлений стали причиной того, что несмотря на почтенный возраст эффекта (открыт Юткиным в середине прошлого столетия) физическая картина процессов не до конца ясна и вызывает страстные научные споры. Однако, перспективы применения ВИЭР в процессах производства очевидны и исследования различных аспектов явления непрерывно развиваются.

Вследствие характера научных интересов Вашего покорного слуги далее будут изложено видение механической и немного электрической стороны явления.

Электрическая энергия, необходимая на осуществление ЭГИ эффекта, накапливается в батарее конденсаторов. Суммарная емкость конденсаторов зависит от количества энергии, которую необходимо ввести. Зарядку конденсаторов осуществляет зарядное устройство, состоящее из повышающего трансформатора и выпрямителя. Потребляемая зарядным устройством мощность зависит от того, какое количество энергии и за какое время необходимо накопить, и увеличивается с увеличением последних. После завершения стадии зарядки, конденсаторы отключаются от внешней сети и закорачиваются через жидкость. Наличие воздушного промежутка в электрической цепи обеспечивает импульсную подачу тока на межэлектродный промежуток, находящийся в жидкости. Напряжение разряда регулируется величиной межэлектродного промежутка.

При импульсной подаче тока на промежуток возникает канал разряда, содержимое которого представляет собой плазму. Высокая температура (порядка 10000°К) приводит к интенсивному испарения окружающей жидкости в полость канала, в результате чего давление содержимого повышается до нескольких тысяч атмосфер и канал под действием разницы давления внутри и снаружи начинает интенсивно расширяться. Поверхность полости представляет контактный разрыв «плазма/газ - жидкость». Выделившаяся энергия расходуется на повышение внутренней (потенциальной) энергии полости и на работу расширения полости (кинетическая энергия перемещения прилегающих слоев жидкости).

Сверхвысокие давления в весьма малом объеме канала, достигаемые при ВИЭР, приводят к тому, что расширение образующееся полости происходит со скоростями, имеющими порядок скорости звука в невозмущенной жидкости. В таких условиях жидкость существенно проявляет свойство сжимаемости и происходит излучение интенсивных волн сжатия. В течение первой трети полупериода колебания тока давление в полости продолжает расти, так как продолжается выделение энергии, полость ускоряется, становясь источником возмущений в жидкости. Так как жидкость, находящаяся между поверхностью полости и фронтом волны сжатия сильно сжата, то возмущения догоняют фронт, фронт становится круче и возникает ударная волна. На излучение волн сжатия по различным оценкам затрачивается от 30 до 50 % энергии разряда. Давление во фронте ударной волны достигает тысяч и десятков тысяч атмосфер. В таких условиях жидкость перегревается и происходят интенсивные потери энергии на тепло ,что приводит к сравнительно быстрому затуханию волн (за время порядка десятков мкс амплитуда волны уменьшается на несколько порядков). Однако, за время существования ударная волна успевает пробежать некоторый объем жидкости (по разным оценкам от нескольких см до нескольких десятков см). Так как давление, скорость и плотность жидкости при прохождении фронта изменяются скачкообразно, то волна оказывает весьма мощное механическое воздействие на жидкость и находящиеся в ней объекты, например – твердые частицы.

Расширение полости, которое благодаря быстротекучести процесса можно считать адиабатическим, вызывает резкое снижение давления внутри полости. Однако, жидкость по инерции еще некоторое время движется в радиальном направлении и полость начинает сжиматься. Сжатие полости снова вызывает рост давления внутри полости, и обратный рост последней. В реальности форма полости может отличаться от чисто цилиндрической или сферической, высокая скорость движения поверхности приводит к ее искажению и даже разрушению полости на части. Однако высокоскоростные колебания (пульсации) полости являются мощным фактором воздействия на жидкость и расположенные в ней объекты. Давления, вызываемые расширяющейся полостью в жидкости на порядок ниже, чем в ударной волне, однако держаться в течение большего промежутка времени. Поэтому вероятно, что основную работу по перемещению и деформация рабочих органов ЭГИ машин (ЭГИ мембранные и поршневые излучатели, насосы, турбины, генераторы) совершает полость.