水下电晕放电若干基础物理问题研究

Underwater corona discharges have attracted extensive attention for its potential applications to underwater acoustic source, non-propeller underwater propulsion, and wastewater treatment. Streamer filaments created by the underwater corona discharge play a fundamental role in its applications to underwater acoustic source, underwater corona discharge plasma propulsion, and wastewater treatment by underwater corona discharge. In this proposal, the influence of water conductivities on the physical properties of the streamer filaments created by underwater corona discharge will be investigated using our previously established diagnostic methods for a single filament. A temporally and spatially resolved computer image reorganization method has been proposed for investigating the characteristic of the shock wave generated by the underwater corona discharges, aiming to exploring technical approaches to control the frequency of an underwater acoustic source. A non-contact optical simple pendulum method has been proposed for investigating the propulsion force produced by the underwater corona discharge, aiming to exploring technical approaches to increase and control the propulsion force. The interaction between the underwater corona discharge plasma and the electrode materials will be investigated, aiming to improve the feature of electrode materials for maintaining the underwater corona discharges. This proposal attempts to provide scientific basis for the development of facilities for the underwater acoustic source, non-propeller underwater propulsion and waste water treatment.

水下电晕放电是一种重要的低频水下声源，是一种新型的水下非螺旋桨推进动力，是一种新兴的先进氧化技术,在海洋远程探测与通讯、突破舰船航速限制以及修复水污染等方面具有重要的应用价值。水下电晕放电产生的流光丝是水下电晕放电等离子体声源、水下电晕放电等离子体推进以及水下电晕放电水污染处理的核心物理基础。本课题在前期建立的一系列单根流光丝诊断方法的基础上，系统研究水电导率对水下电晕放电流光丝物理性质的影响；提出了一种时空分辨图像识别处理方法深入研究冲击波与水下电晕放电流光丝物理性质的关系，探索控制水下声源频谱特性的方法；提出了一种单摆式非接触光学测量方法研究推进力特性，探寻控制和放大推进力的途径；系统研究电晕放电等离子体与电极材料相互作用，探讨满足水下电晕放电长时间持续稳定要求的电极材料，为水下声源、水下推进器以及水污染处理等关键设备的研制提供科学依据。

水下电晕放电可用作水下声源，同时又是一种新型的水下非螺旋桨推进动力和一种新兴的水污染处理技术，在国防和相关产业重大装备制造方面有重要的应用前景。水下电晕放电产生的流光丝是水下电晕放电等离子体声源、水下电晕放电等离子体推进以及水下电晕放电水污染处理技术的核心物理基础。本项目着重研究水下电晕放电基本物理性质，研究内容包括：水下电晕放电流光丝物理性质研究；水下电晕放电冲击波特性研究；水下电晕放电推进力研究。本项目采用了一系列单根流光丝诊断方法系统研究了水电导率对水下电晕放电流光丝物理性质的影响；利用时空分辨发光-阴影结合图像方法研究了冲击波与水下电晕放电流光丝的关系；模拟研究了水下电晕放电冲击波的声源频谱特性；建立了一种能够测量单个放电脉冲微小推力的非接触光学测量方法。首次发现第二模式流光丝的长时间（约150 ns）暂停行为，揭示了流光丝的再发光现象是由流光丝长时间暂停行为引起的；发现相邻两个独立冲击波的间隔约为160 um且不受外加电压和水电导率的影响, 冲击波初始压力为0.6 GPa，既不受外加电压也不受水电导率的影响，表明冲击波的释放是由放电流光丝内等离子体状态决定的，具有一定程度的自组织性。发现流光通道内的气体密度大约在90-950 kg/m3范围内，在特定的水电导率下，流光丝每延伸单位长度产生的气体质量以及所需要的能量近似是一个与电压无关的常数，水电导率对流光丝延伸单位长度产生的气体质量以及消耗的能量有显著的影响，产生单位质量气体所需的能量在10-300 J/g之间，远远小于单位质量的液态水气化的潜热（4200 J/g），表明流光通道内的气体不是通过热气化过程产生的；发现水中电晕放电残留气体丝中的气体密度在400~800 kg/m3之间振荡，振荡周期约为10 us。脉冲电压和水电导率都不影响残留气体丝中气体密度的振荡周期。本项目的研究结果可为水下声源、水下推进器等深海探测相关关键设备的研制提供科学依据，为提高相关设备的自主创新水平提供基础动力。