基于范式方程的电火花源脉冲电晕放电机理研究

The discharg process of new type electric sparks is called "pulse corona discharge". The gas with high-temperature and high-pressure at the beginning of stimulation is regarded as ideal gas by previous researches on the mechanism of electric spark pulse corona discharge. It describes the change process of bubble radius, velocity of bubble wall, temperature and pressure within bubbles using the ideal gas equation of state with the dynamics equation of bubble pulsation process and law of conservation of energy. However, the bubble pressure yielded by the electric sparks at the stimulation instant is very high and generally higher than 10 million Pa. It is far more than the applicable conditions of the ideal gas equation of state. This study is to describe the pulse corona discharge process based on the non-ideal gas model of Van der Waals. First, it analyses the plasma form of several different stages of pulse corona discharge process. Second, change processes of temperature and pressure of plasma, bubble radius, velocity of bubble wall and other key parameters are described with the non-ideal gas model of Van der Waals. At last, on the basis of the quasi-static open thermodynamic system and bubble oscillation theory, equations which can accurately describe pulse corona discharge mechanism are established to provide theoretical support to improve the energy efficiency during the development of electric sparks.

新型电火花震源的放电过程称为"脉冲电晕放电"。前人在研究电火花源脉冲电晕放电机理时将激发初期的高温高压气体看做是理想气体，用理想气体状态方程并综合气泡脉动过程的动力学方程以及能量守恒定律来描述气泡半径、气泡壁速度、气泡内温度和压强等参数的变化过程。但是，电火花震源在激发瞬间产生的气泡压强非常大，一般可达1千万帕以上，远远超过了理想气体状态方程的适用条件。本研究基于范德瓦耳斯非理想气体模型来描述脉冲电晕放电过程。首先，分析脉冲电晕过程的几个不同阶段中等离子体的形式，其次，利用范德瓦耳斯非理想气体模型来描述等离子体温度、压强、气泡半径、气泡壁速度等关键参数的变化过程，在准静态开放式热力学系统和气泡振荡理论的基础上，最终建立起能够准确描述脉冲电晕放电机理的方程，为电火花源研制过程中提高能量效率提供理论支持。

新型电火花震源的放电过程称为“脉冲电晕放电”。前人在研究电火花源脉冲电晕放电机理时将激发初期的高温高压气体看作理想气体，用理想气体状态方程并综合气泡脉动过程的动力学方程以及能量守恒定律来描述气泡半径、气泡壁速度、气泡内温度和压强等参数的变化过程。但是，电火花源在激发瞬间气泡压强非常大，远远超过了理想气体状态方程的适用条件。因此，本项目提出基于范德瓦耳斯非理想气体模型来描述脉冲电晕放电过程。.基金的主要研究内容为：电火花源水中脉冲电晕放电机理和高温高压等离子体气泡脉动过程。.分析了水中脉冲电晕放电的电学特性。分析了放电的等效模型，计算得到了放电的电转化效率；研究了电极间距离等对放电的影响，分析了不同类型的电极排列方式和电极间距对于电火花震源能量转换效率和子波形态的影响；分析了水中脉冲电晕放电的声学及压力特性。通过标准水听器记录分析了电火花震源放电产生的压力信号，对其进行频谱分析得到在所应用的当前电火花震源的条件下声信号的频率范围；研究了主要针对电火花震源激发等离子形成后气泡半径、气泡壁速度、气泡内部温度和内部压强等参数的模拟和改正来进行。针对在理想气体状态方程的研究基础之上，将范德瓦尔斯非理想气体理论应用于气泡脉动模型的建立，根据准静态开放式热力学系统和气泡振荡理论，推导了电火花震源激发的气泡脉动初期非理想气体状态方程，开展了单电极电火花震源的子波模拟工作；探索性开展了海洋立体调相震源以及编码震源的研究工作，并开展了水平拖缆、OBS和垂直缆联合组成立体观测网络配合立体调相震源的立体探测工作。.取得了以下成果：.（1）基于范德瓦尔斯方程的震源子波模型的建立；.（2）开展了不同电极数量的震源子波的提取；.（3）记录了不同水深条件下的电火花震源的子波形态。.成果应用于高分辨率海洋地震勘探资料采集工作，尤其对于天然气水合物等埋藏较浅、沉积厚度较薄的海洋非常规油气藏的勘探及试采监测有着重要的意义。