水中纳秒脉冲电晕放电等离子体时空演化动力学特性研究

Recently underwater corona discharges generated by nanosecond high-voltage pulse have been proved efficient for industrial and medical applications. Although many research works have been reported in the literatures, the knowledge about the dynamics of the space-time evolution of the discharge plasma is still unclear. Some important issues remain no answers, such as the electrical field of streamer head and its dependence on the ion concentration of water, the physical nature of the transition between the two propagation modes of the discharge streamer, and the dynamics of the gas channel decay et al. Based on an ultrahigh speed camera system with four intensified electron coupled device (ICCD) cameras, plasma diagnostic techniques which can continuously trace single nanosecond discharge pulse are proposed in this proposal, such as technique for space-time resolved electrical field measurement, optical emission spectrum analysis and high speed photography. Based on these experimental techniques, study on the space-time evolution of the electrical field of streamer head and its dependence on the ion concentration of water is proposed. The physical nature of the transition between the two propagation modes and the dynamics of the gas channel decay also will be investigated in detail in this project. With the aid of theoretical simulation study, the dynamics of the inception, propagation and decay of the underwater corona discharge generated by nanosecond high voltage pulse will be investigated.

水中纳秒脉冲电晕放电在环保、国防以及医学中呈现出越来越重要应用价值，成为这些领域重要的研究课题之一。近年来研究者对水中纳秒脉冲电晕放电进行了广泛研究,但是目前在实验和理论两方面对水中纳秒脉冲电晕放电产生的丝状等离子体的时空演化动力学规律还缺乏清晰的认识，一些重要的基础物理问题亟待解决，比如：水中放电丝状等离子体的先端电场及其与水中离子浓度的关系，两种放电传播模式转换的物理本质，放电等离子体通道的消亡规律等。本项目以四个ICCD相机构成的4分幅超高速相机为中心，构建能够连续跟踪单个纳秒脉冲放电过程的时空分辨电场诊断、发射光谱诊断和图像诊断方法，从实验上深入研究水中纳秒脉冲电晕放电丝状等离子体先端电场特征及其与水中离子浓度的关系、两种放电模式下等离子体物理性质以及模式转换的物理本质，研究放电通道的消亡特征和规律，结合理论模拟计算，探讨水中纳秒脉冲电晕放电形成、发展和消亡的动力学规律。

水中脉冲放电等离子体在纳米材料的制备、水处理和船舶推进等领域呈现出广阔的应用前景，已经引起了科学和工程领域的极大兴趣。水中正极脉冲流光放电产生放电通道，并且在水中发展迅速。放电结束后气态通道仍然残留在水中，有一部分分支通道迅速迸散成为微气泡，而主枝通道则向阳极收缩并且在阳极附近形成一个气泡。. 本项目通过建立一系列针对单根的放电流光丝的诊断方法，研究了流光丝中电子密度和气体密度沿轴向的空间分布；基于克尔效应研究了流光先端电场分布；发现并研究了水中脉冲流光放电的推进效应；通过测量流光的最大长度发现了流光长度和放电电压之间的关系。主要取得以下结果.1．首次建立了单根流光丝电子密度和气体密度测量方法。这两种方法开辟了研究单根流光丝电子密度分布和气体密度分布的途径，对研究液相流光放电的起始和传播过程具有重要意义。.2．首次研究了流光丝内气体密度沿轴向地分布，发现流光通道内气体密度数值在100 到 660 kg/m3之间，沿轴向随着离针尖距离的增大而增大。特征意味着放电通道内沿通道轴向存在压力梯度，形成了一个指向针尖的净压力，该压力可以用作水下推进力。.3．首次研究了放电流光丝中电子密度的空间分布，发现流光丝中电子密度由根部向头部逐渐减小，流光头部电子密度的逐渐减小可能使得流光头部局部电场逐步减小。.4．发现水中高压脉冲流光放电具有推进力，可以推进船模航行，增加电极数量和增大脉冲频率可以显著增大推进力。水中电晕放电有望成为一种新型无螺旋桨推进动力。.5．发现先端电场的数值分布在350—650V/cm这个范围，流光丝传播发展过程中先端电场随时间变化，各个流光分支的先端电场的值不存在显著差异。.6．发现流光丝的最大长度与放电电压之间存在简单的线性定量关系，并从欧姆定律出发我们推到出了这种定量关系式。 .上述研究结果为研究流光放电的发生和传播机理开辟了新途径，提供了关于流光等离子体物理特性的新认识。