Коробейников С.М.*, Мелехов А.В.**, Посух В.Г.**, Антонов В.М.**, Рояк М.Э
*Новосибирский
Государственный Технический Университет
**Институт Лазерной Физики СО РАН
г. Новосибирск
Работа выполнена при поддержке РФФИ и Министерства образования РФ
Проведены исследования образования долгоживущих микропузырьков размером 20-100 мкм в воде с помощью импульсно-нагреваемого проволочного электрода. Оптические исследования поведения пузырьков в сильном импульсном электрическом поле до 300 кВ/см показали, что пузырьки вытягиваются в направлении поля, сжимаются в поперечном направлении, делятся и отрываются от электрода. Зарегистрировано отличие в поведении анодных и катодных пузырьков.
Выяснение причины нарушения импульсной электрической прочности жидкостей важно для ряда областей физики, в частности этот вопрос является ключевым в проблеме получения предельных мощностей в импульсных емкостных накопителях энергии. Дело в том, что мощность определяется плотностью запасаемой энергии в диэлектрике, пропорциональной диэлектрической проницаемости среды и квадрату напряженности поля. К настоящему времени наибольшая мощность достигнута в случае использования жидкостей с высокой диэлектрической проницаемостью, в основном деионизованной воды. Поскольку диэлектрическая проницаемость жидкостей является физическим параметром и ее невозможно увеличить для каждой конкретной жидкости, вопрос получения предельных мощностей упирается в вопрос о возможности увеличения электрической прочности.
Большинство
исследователей электрического пробоя жидкостей занимаются стадией развития
разряда, т.е. исследованием формы, заряда, строения, распространения стримеров
и т.д., или канальной стадией разряда. Это касается как экспериментов, так и
построения теоретических моделей [1,2].
Наиболее
значимыми, на наш взгляд, с позиций возможности управления электрической
прочностью, являются исследования зажигания разряда. Дело в том, зажигание
разряда в однородном, либо слабонеоднородном электрическом поле, при
достаточной длительности воздействия, является необходимым и достаточным
условием пробоя. Поэтому изучение зажигания разряда является принципиально
важным для физики пробоя жидкостей.
В зажигании
разряда особая роль отводится пузырькам ввиду их низкой собственной
электрической прочности. При этом предполагается, что пузырьки существуют на
электродах до подачи напряжения, или образованы в течение экспозиции напряжения
под действием предпробивных процессов. На основе пузырьковой гипотезы
разработаны теоретические основы модели зажигания разряда [3,4],
позволяющей, на полуколичественном уровне, объяснить ряд экспериментальных
данных по электрическому пробою.
В настоящей
работе делается попытка экспериментального исследования поведения специально
создаваемых микропузырьков под действием сильного электрического поля.
В
экспериментальном плане предполагается проведение оптических исследований
пространственно-временного поведения микропузырьков размером 20-100 мкм при
импульсном воздействии напряжения различной полярности в слабонеоднородном
поле. Микропузырек создается в определенном месте вблизи электрода, затем
производится его фотографирование с большим увеличением с помощью импульсного
наносекундного лазера однокадровой, либо многокадровой системой. При этом
обязательна привязка по времени моментов фотосъемок с моментом подачи импульса
напряжения. Последовательность кадров, в том числе из разных серий с одинаковым
размером пузырька и напряженностью поля, позволит проследить динамику
пузырьков, начиная с момента подачи импульсного напряжения.
Необходимо
создавать пузырьки размером от единиц до десятков микрон на электроде, в
области сильного поля, более того, в области, на которую настроена оптическая
система. Требования по оптическому увеличению порядка 100 раз и полному полю
изображения на фотопленке порядка 30 мм приводит к размеру области регистрации
порядка 0.3 мм. Это означает, что в этой области должен создаваться
микропузырек. Чтобы увеличить вероятность появления пузырьков и зажигания разряда
в этой области целесообразно делать электрод, сопоставимый по размерам с
вышеуказанным, т.е. 0.3-0.5 мм. Это может быть полусферический, либо острийный
электрод примерно такого радиуса. Возможен вариант, промежуточный между
протяженным и острийным электродами: проволочный электрод диаметром менее 0.3
мм, изогнутый в виде петли минимального радиуса.
Пузырьки заранее определенных размеров сложно создавать,
поскольку они всегда будут неравновесными. Время исчезновения пузырька будет
зависеть от степени и типа
неравновесности. Паровые пузырьки исчезают за микросекундные времена. Для
газового пузырька время растворения tр пропорционально квадрату
радиуса r, обратно пропорционально коэффициенту диффузии газа в жидкости D,
растворимости Сs, и газосодержанию С в жидкости. Ясно, что пузырек может
существовать достаточно долго в жидкостях, где мал коэффициент D (большая
вязкость), или мала растворимость газа, или концентрация растворенного газа C,
близка к предельному газосодержанию Cs. В ненасыщенной жидкости оценка времени
жизни пузырька радиусом 10 мкм, при средней растворимости Сs ( ~ 10-2 cм3/cм3),
коэффициенте диффузии D~10-5
cм2/с дает 5 секунд.
Можно заранее
перенасытить жидкость и, тем самым, увеличить время растворения пузырька.
Однако при этом будет образовано много пузырьков во всем объеме жидкости, в
ансамбле малые пузырьки будут растворяться быстрее, чем большие, которые могут
даже расти некоторое время. Кроме того, пузырьки неизбежно начнут
образовываться на стенках, в.т.ч. оптических стеклах камеры, что затруднит
оптическую регистрацию.
Нагревание
жидкости до температуры, близкой к точке кипения может быть достаточно простым
способом, т.к. вблизи точки кипения растворимость газов мала. Поэтому газовые
пузырьки будут медленнее растворяться. Возможно и квазистационарное
существование достаточно больших пузырьков при близости рабочей температуры к
точке кипения. Это один из самых простых вариантов создания пузырьков.
Микропузырьки
проще создавать локальным нагревом электрода. Наиболее просто это может быть
реализовано, если пропустить импульс тока через проволочный электрод. В этом
случае происходит локальное вскипание жидкости, диффузия газа в паровой
пузырек, охлаждение электрода и пузырька, сопровождающееся конденсацией пара и
уменьшением размеров пузырька. Затем следует более медленная стадия -
диффузионное растворение газового микропузырька. Время жизни пузырьков размером
30-50 мкм в насыщенной газом жидкости должно превышать 100 с, поэтому можно
получив пузырек некоторого размера в нужной области, подождать, пока он не
уменьшится до требуемого размера. Если нужно увеличить пузырек, то это
достигается последовательной подачей импульсов тока.
Наиболее
реальный путь - определение размера получившегося пузырька в зоне видимости,
его регистрация, затем воздействие поля и регистрация изменений пузырька.
 |
Рис. 1. Блок – схема экспериментальной установки
1.
Электродная камера |
Четырехступенчатый ГИН с обострителем собран по схеме Аркадьева-Маркса. При необходимости получать импульсы амплитудой более 60 кВ, его помещают в герметичный сосуд с давлением азота до 4 ат. Запуск ГИНа осуществляется высоковольтным генератором поджигающих импульсов, который срабатывает от ГЗИ-6. Генератор напряжения способен выдавать импульсы напряжения с амплитудой до 100 кВ, передним фронтом 0.2 мкс, задним фронтом 50 мкс. Импульсным источником является лазер ОГМ- 40, позволяющий выдавать импульсы света длительностью 30-40 нсек.
Генерация пузырьков
осуществляется импульсным нагревом квазиострийного электрода, представляющего
собой U-образную нихромовую проволочку диаметром 0.2 мм, с радиусом сгиба 0.5
мм. Проволочка заземляется после окончания импульса тока, высоковольтным
электродом является плоский электрод ячейки. Длительность импульсов тока
амплитудой до 3 А варьируется с помощью реле времени в диапазоне 0.1-5 с.,
после установления температурного равновесия вблизи проволочки (~ 1 сек) на в/в
электрод подается импульс напряжения.
Импульс тока считался прямоугольным, учет вклада фронтов в энергии,
поглощаемой в нагрузке, дает поправку не более 10% при длительности импульса
более 300 мсек.
Значение
электрического поля вблизи проволочки необходимо специально рассчитывать, т.к.
для используемой электродной системы не существует аналитических решений. Для
решения этой задачи использовалась подсистема ELSTAC программного комплекса
TELMA, предназначенная для решения трехмерных задач электростатики методом
конечных элементов (МКЭ). На рис.2 представлена расчетная картина поля вблизи
проволочки в плоскости сечения ее изгиба.
Видно, что при напряжении 100 кВ напряженность в центре составит 900 кВ/см, изменение напряженности при удалении от поверхности электрода примерно соответствует 1/r. Что касается распределения поля в перпендикулярной плоскости, не приводя результатов, подчеркнем лишь, что напряженность поля вблизи поверхности уменьшается примерно на 10% при удалении на расстояние радиуса от центра, т.е. в этом направлении поле достаточно однородно.
При создании пузырька на поверхности электрода, неоднородность поля на размере наиболее опасного пузырька не превышает 10%, область оптической регистрации совпадает с областью максимального поля, что позволяет наблюдать и регистрировать пузырьки с большим увеличением.
Методика проведения экспериментов по зажиганию разряда с помощью искусственно-создаваемых пузырьков заключается в следующем. На электроде, в области сильного поля, создается пузырек некоторого размера r, затем пузырек фотографируется и подается импульс напряжения такой амплитуды, при которой достигается напряженность поля, достаточная для ионизационных процессов в пузырьке. Затем, после фиксированной задержки по времени, пузырек фотографируется с помощью лазерного импульса и фотоаппарата с открытой диафрагмой. Затем снова генерируется пузырек примерно того же размера и производятся те же операции, но с другой длительностью временной задержки между подачей импульса напряжения и моментом фотографирования. После получения серии кадров, процесс повторяется при других размерах пузырьков и напряженностях поля. Каждая серия обрабатывается, определяется изменение формы пузырька под действием электрического поля, проводится сопоставление с моделью. Если не удается получить одиночный пузырек, эксперименты проводят с несколькими пузырьками, главное, чтобы расстояние между ними было много больше их размеров.
Анализируя различные схемы регистрации микрообъектов, была выбрана схема оптической регистрации с использованием микроскопа и полупроводникового лазера. Эта схема дает наиболее качественное изображение с достаточным увеличением. При использовании этой схемы было получено пространственное разрешение не хуже чем 25 штрихов на мм.
Образование долгоживущих пузырьков
Было обнаружено, что образование пузырьков, как в дистиллированной, так и водопроводной воде имеет пороговый характер, в зависимости от амплитуды и длительности импульса тока. Последовательность действий при проведении опытов состояла из следующих этапов: на блоке питания устанавливался ток, а затем с помощью таймера подавался импульс определенной длительности. Если за это время на проволочке не появлялся пузырек, то спустя некоторое время на таймере устанавливалась большая длительность импульса и так до тех пор, пока на проволочке не появлялся пузырек.
На рис. 3 представлены
графики появления первых пузырьков размером 10¸50 мкм в
дистиллированной воде (1), в водопроводной (3) и в водопроводной отстоянной воде
(2), в
зависимости от амплитуды и длительности импульса тока.
Рис.3. Появление первых пузырьков 10¸50 мкм в дистиллированной воде, в водопроводной и в водопроводной отстоянной воде, в зависимости от амплитуды и длительности импульса тока.
На рис. 3 видно, что в свежей водопроводной воде первые пузырьки появляются при токе намного меньшем, чем в дистиллированной воде. Также из графиков видно, что в отстоянной водопроводной воде первые пузырьки появляются при условиях близких к условиям появления первых пузырьков в дистиллированной воде. При этом дистиллированная вода долгое время находилась в воздушной среде.
В свежеприготовленной дистиллированной воде, а также в отстоянной воде, подвергнутой кипячению в течение 5-10 минут, при тщательно промытой и протертой в воде проволочке генерации микропузырьков при токе 3 А не наблюдалось вплоть до максимальной длительности импульса тока. Используя ту же воду, но интенсивно обдув проволочку сжатым воздухом перед измерениями, удалось добиться генерации пузырьков при токах меньших 3 А. В этом случае I – t характеристики были сравнимы с результатами, полученными в отстоянной водопроводной воде (кривая 2, рис. 3.). Следовательно, можно сделать вывод, что основное влияние на появление пузырьков, оказывает газ, растворенный в воде и адсорбированный на поверхности электрода.
Относительно динамики пузырьков можно отметить следующее. Визуально, максимальный размер пузырька достигается сразу после окончания импульса тока. После этого размер пузырька резко уменьшается приблизительно на 20%, затем следует стадия более медленного уменьшения размера. На рис. 4 показана временная зависимость изменения диаметра пузырька, начиная от максимального размера и вплоть до исчезновения пузырька.
Рис. 4. Временная зависимость изменения диаметра пузырьков, начиная от максимального размера и вплоть до исчезновения пузырька.
Эксперименты проведены в дистиллированной отстоянной воде при I = 2.6 А и t = 0.4 с. Так же из графика видно, что время жизни пузырька приблизительно 2¸10 минут, т.е. за это время пузырек полностью растворяется в воде. Этого времени вполне хватает, чтобы сфотографировать пузырек и провести необходимые исследования.
Поведение пузырьков
На рис.5а приведена фотография микропузырьков различного радиуса от 20 до 40 мкм (7 шт.) на поверхности катода до подачи напряжения, а на рис.5б - через 4 мкс после подачи напряжения.
а) б)
Рис. 5. Конфигурация пузырьков на поверхности катода до воздействия поля (а), конфигурация пузырьков через 4 мкс после воздействия электрического поля (б). Максимальная напряженность 300 кВ/см. Видны удлинение пузырьков, возникновение возмущений на поверхности, возникновение перетяжек, отрыв пузырьков.
Напряжение составляло 30 кВ, соответственно напряженность поля вблизи электрода, где расположены пузырьки, составляла 300 кВ/см. На рис. 6, а и б приведена еще одна серия фотографий пузырьков на поверхности электрода, также при напряжении 30 кВ, но момент экспозиции составлял 1.6 мкс после начала импульса.
а) б)
Рис. 6. Форма пузырьков на катоде до воздействия поля (а) и через 1.6 мкс после начала воздействия электрического поля (б). Максимальная напряженность 200 кВ/см, напряженность поля во внутреннем сгибе 50 кВ/см. Слева - наиболее деформированный микропузырек, вверху - пузырек с явно различимыми возмущениями поверхности
На приведенных фотографиях можно обнаружить следующие закономерности:
1.
Пузырьки
удлиняются в направлении действия электрического поля. Удлинение пузырька
достигает 1.5-2 раз относительно начального размера.
2.
Пузырьки
уменьшаются в поперечном направлении. Сжатие может быть незначительным, а может
и достигать 1.5-2 раза относительно начального размера. При этом пузырьки имеют
различную форму. Чаще наблюдается форма, близкая к цилиндрической, с
полусферической вершиной. Реже наблюдается каплевидная форма. В одном случае
зарегистрирован пузырек в форме конуса с полусферической вершиной радиусом 5
мкм (рис.6, а и 6, б). В этом случае исходным являлся пузырек радиусом 20 мкм.
Напряженность поля составляла примерно 250 кВ/см.
3.
Пузырьки
делятся на две части, или отрываются от поверхности электрода. Поперечная
перетяжка обычно возникает через 5-8 мкс, причем явной зависимости от
напряженности поля не замечено. Пузырьки отрываются от поверхности электрода
через 15-20 мкс.
4.
Движение
оторвавшихся пузырьков (на поздних стадиях) соответствует
электрогидродинамической подвижности носителей заряда. Этот вывод можно сделать
из нескольких пар фотографий, например из зарегистрированного передвижения
пузырька на 200 мкм за 50 мкс. При этом напряженность вблизи пузырька в начале
воздействия составляла 200 кВ/см, через 50 мкс - примерно 40 кВ/см. Оценка
средней скорости дает значение 4 м/с, а подвижности m - примерно m ~ 4×10-3 см2/(В×с). Форма движущихся
пузырьков меняется, зарегистрированы как сплюснутые, так и вытянутые пузырьки.
5.
Чем
меньше размер пузырька – тем больше
деформация пузырька. Этот вывод наиболее ярко иллюстрирует рис. 6, б, где
большие пузырьки (60-80 мкм) слабо деформированы, отношение продольного размера
к поперечному размеру составляет 1.3-1.5, тогда как более мелкие пузырьки (40
мкм) деформированы сильнее, вышеуказанное соотношение может достигать 2-3.
Исключением являются мелкие пузырьки, находящиеся в слабом поле на вогнутой
части электрода. На рис. 6, б видно, что в области слабого поля E ~ 60 кВ/см,
пузырек диаметром D ~ 30 мкм практически не деформирован.
6.
На
ранних стадиях поверхность пузырька испытывает мелкомасштабные возмущения.
Например на поверхности пузырька радиусом 60 мкм, находящегося в вогнутой части
электрода при напряженности примерно 50 кВ/см зарегистрированы возмущения
длиной волны 25-30 мкм (рис.6, б). На том же рисунке показан пузырек,
находящийся на выпуклой части электрода, на поверхности которого можно
обнаружить как продольные, так и поперечные возмущения характерного размера
10-15 мкм.
Пузырьки, находящиеся на поверхности анода, ведут себя, в основном, подобно катодным пузырькам. Они также удлиняются в направлении поля, скорости удлинения примерно одинаковы, скорости движения оторвавшихся пузырьков также примерно одинаковы. Однако в их поведении имеется, по крайней мере одно существенное различие. У анодных пузырьков, в области, непосредственно примыкающей к электроду, наблюдается резкое расширение в направлении вдоль электрода (рис 7, а, б, пузырьки 1, 2, 3). Ширина этого образования может до 1.5-2 раз превышать диаметр исходного пузырька.
а) б)
Рис. 7. Форма пузырьков на аноде до воздействия поля (а) и через 8 мкс после воздействия поля (б). Максимальная напряженность 200 кВ/см, на рис. 7, б у пузырьков 1, 2, 3 видна характерная коническая форма части пузырька, оставшейся на электроде.
Исследовано
образование и поведение искусственных микропузырьков в воде под действием
сильных электрических полей. Разработанная методика позволила создавать
долгоживущие пузырьки размером 20-100 мкм на поверхности проволочного
электрода. Воздействие импульсного электрического поля напряженностью до 300
кВ/см приводит к удлинению пузырька в направлении поля, сжатию в поперечном
направлении, возникновению неустойчивости, перетяжек, отрыву и движению со
скоростями до 10 м/с. Зарегистрирован "эффект полярности" в поведении
анодных и катодных пузырьков.
Список литературы
1.
V.Kukhta,
V.Lopatin «Discharge propagation in water in non-uniform field» Proc. of the 12th
Int. Conf. on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids, Roma, Italy,
1996, pp.259-262.
2.
A.Ershov,
A.Kupershtokh «Fluctuation model of liquid dielectric breakdown with incomplete
charge relaxation», Proc. of the 11th Int. Conf. on Conduction and
Breakdown in Dielectric Liquids, IEEE No.93CH3204-6, Baden-Dattwill,
Switzerland, 1993, pp.194-198.
3.
Коробейников
С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. 1. Предпробивные процессы. Теплофизика
высоких температур N 3, 1998.
4.
Коробейников
С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. 2. Сопоставление с экспериментом.
Теплофизика высоких температур N 4, 1998.
