给定电源初始储能下增强水中金属丝阵电爆炸冲击波PPT课件

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1、 Tsinghua University给定电源初始储能下给定电源初始储能下增强水中金属丝阵电爆炸冲击波增强水中金属丝阵电爆炸冲击波钱盾，刘志刚、邹晓兵，王新新钱盾，刘志刚、邹晓兵，王新新清华大学电机系清华大学电机系2021年年10月月12日日 于重庆于重庆 Tsinghua University1、引言、引言2、“分裂丝分裂丝”并联丝阵实验并联丝阵实验3、“串联丝串联丝”丝阵和丝阵和“并联丝并联丝”丝阵比较丝阵比较4、“串串-并联丝并联丝”丝阵设计丝阵设计5、结论、结论报告内容报告内容 Tsinghua University水中金属丝电爆炸（水中金属丝电爆炸（UEWE）简介）简介 Under

2、water Electrical Wire Explosion:UEWE 脉冲脉冲大电流通过水中金属丝，使其大电流通过水中金属丝，使其爆炸似地爆炸似地快速快速汽化汽化 UEWE的必要条件的必要条件 汽化条件汽化条件 电流焦耳加热的沉积能量达到金属丝的汽化能电流焦耳加热的沉积能量达到金属丝的汽化能 UEWE的冲击波的冲击波 电水锤电水锤 金属丝电爆炸时体积金属丝电爆炸时体积急剧急剧膨胀，推动周边的水而产生冲击波膨胀，推动周边的水而产生冲击波 UEWE强强冲击波的应用冲击波的应用 油气井解堵增产、页岩气开采、冲击波诱发相变、惯性约束聚变油气井解堵增产、页岩气开采、冲击波诱发相变、惯性约束聚变、等等

3、 Tsinghua University增强增强 UEWE 冲击波的方法简介冲击波的方法简介 采用采用更大的脉冲电流更大的脉冲电流电爆炸电爆炸更大质量的金属丝更大质量的金属丝 采用采用更更陡陡的脉冲电流的脉冲电流，以达到，以达到“过热过热”，即，即E沉积沉积 E汽化汽化 但是，但是，更大更大或更陡的或更陡的脉冲电流源不是唾手可得的脉冲电流源不是唾手可得的！采用金属丝采用金属丝阵列，阵列，利用其利用其汇聚汇聚冲击波冲击波 圆筒形丝阵轴线汇聚冲击波圆筒形丝阵轴线汇聚冲击波 圆球形丝阵球心汇聚冲击波圆球形丝阵球心汇聚冲击波 Tsinghua University并联丝并联丝丝阵的问题丝阵的问题 电阻

4、可能太小电阻可能太小 并联丝丝阵并联丝丝阵 通常情况下，丝阵是由多根通常情况下，丝阵是由多根相同丝相同丝并联而成的。并联而成的。并联丝丝阵的丝数目存在上限并联丝丝阵的丝数目存在上限 并联丝丝阵的丝数目是有上限的，若超过此上限，并联丝丝阵的丝数目是有上限的，若超过此上限，即使电源初始储能远即使电源初始储能远大于这些丝的汽化能大于这些丝的汽化能，丝阵电爆炸冲击波却不升反降。，丝阵电爆炸冲击波却不升反降。存在丝数目上限的原因存在丝数目上限的原因 随着并联丝数随着并联丝数目目的增加，的增加，丝阵丝阵电阻减小，当电阻减小，当它它减小到和电源内阻可比时，减小到和电源内阻可比时，相当大比例的电源初始储能将消

5、耗在电源内阻上相当大比例的电源初始储能将消耗在电源内阻上，此时，此时能量输出受限能量输出受限。Tsinghua University“分裂丝分裂丝”并联丝阵设计并联丝阵设计 “分裂丝分裂丝”并联丝阵提出的初衷并联丝阵提出的初衷 在不减小丝阵电阻的前提下，增加并联丝的数目。在不减小丝阵电阻的前提下，增加并联丝的数目。这只能靠减小丝的直径来实现这只能靠减小丝的直径来实现 “分裂丝分裂丝”用多根细丝取代用多根细丝取代1根粗丝，这些细丝的截面积之和等于单根粗丝的截面积。根粗丝，这些细丝的截面积之和等于单根粗丝的截面积。这类似于电网中的分裂导线，故称之为这类似于电网中的分裂导线，故称之为“分裂丝分裂丝”

6、。“分裂丝分裂丝”丝阵设计（以长度丝阵设计（以长度50mm铜丝为例）铜丝为例）给定电源初始储能给定电源初始储能（1 F电容充电电容充电20kV，即，即200J）单丝电爆炸实验确定对应的单丝电爆炸实验确定对应的最粗单丝最粗单丝（直径（直径0.2mm、截、截0.126mm2）选定并联的选定并联的“分裂丝分裂丝”直径及数量直径及数量 Tsinghua University八个八个“分裂丝分裂丝”丝阵丝阵丝阵丝阵编号编号丝数丝数目目 丝组合丝组合（丝直径丝直径 数量）数量）总截面总截面/mm2#110.2mm 10.126#220.14mm 20.123#330.14mm 1+0.1mm 20.124

7、#440.1mm 40.126#570.1mm 3+0.05mm 40.126#6100.1mm 2+0.05mm 80.126#7130.1mm 1+0.05mm 120.126#8160.05mm 160.126压力波探头位于直径压力波探头位于直径100mm的环的环电极轴线上，以测量汇聚冲击波电极轴线上，以测量汇聚冲击波每个丝阵的丝数目不同，但各丝阵的丝总截面均每个丝阵的丝数目不同，但各丝阵的丝总截面均大致为大致为 0.126mm2 Tsinghua University“分裂丝分裂丝”丝阵电爆炸汇聚冲击波丝阵电爆炸汇聚冲击波 8个丝阵电流以及沉积能量波形重合，表明各丝阵个丝阵电流以及沉积

8、能量波形重合，表明各丝阵焦耳加热及相变过程同步进行。焦耳加热及相变过程同步进行。随着随着“分裂丝分裂丝”数量的增加，丝阵冲击波显著增大，数量的增加，丝阵冲击波显著增大，从直径从直径0.2mm单丝的单丝的25MPa增大至直径增大至直径0.05mm十六十六丝的丝的91MPa。丝阵编号丝阵编号丝数量丝数量冲击波最大值冲击波最大值/MPa#1125.1#2241.1#3347.2#4454.0#5768.8#61075.0#71380.5#81691.0 Tsinghua University“分裂丝分裂丝”丝阵中单丝冲击波丝阵中单丝冲击波 基于基于“分流支路分流支路”的冲击波分离方法的冲击波分离方法

9、 以以#4丝阵丝阵(0.1mm 4)为例，将为例，将3根丝移到离压力探头较远的分流支路，测量保留根丝移到离压力探头较远的分流支路，测量保留在圆环电极在圆环电极0.1mm的的单丝冲击波单丝冲击波。用类似方法可测得不同直径单丝冲击波。用类似方法可测得不同直径单丝冲击波 丝阵中单丝冲击波幅值正比于该丝的直径丝阵中单丝冲击波幅值正比于该丝的直径 各丝同步达到汽化温度而电爆炸，其内部蒸汽压相同。各丝急剧膨胀对水的作用力及冲击各丝同步达到汽化温度而电爆炸，其内部蒸汽压相同。各丝急剧膨胀对水的作用力及冲击波正比于丝表面积（即直径），即：波正比于丝表面积（即直径），即：其中其中:D和和p(1)分别是分别是0.

10、2mm粗丝的直径和冲击波；粗丝的直径和冲击波；d和和p(N)分别是分别是N等分等分“分裂丝分裂丝”的直径的直径和冲击波。和冲击波。Tsinghua University“分裂丝分裂丝”丝阵各单丝冲击波的汇聚规律丝阵各单丝冲击波的汇聚规律 各丝冲击波汇聚规律的实验测定各丝冲击波汇聚规律的实验测定 仍以仍以#4丝阵丝阵(0.1mm 4)为例，改变保留在圆环电极上的单丝数量，可以得到四个为例，改变保留在圆环电极上的单丝数量，可以得到四个“衍生丝衍生丝阵阵”，测量它们的冲击波，得到汇聚规律。，测量它们的冲击波，得到汇聚规律。各单丝各单丝冲击波在丝阵轴线线性叠加冲击波在丝阵轴线线性叠加 发现冲击波从各单

11、丝到发现冲击波从各单丝到压力压力探头的平均速度仅略高于水中声波速度。冲探头的平均速度仅略高于水中声波速度。冲击波抵达探头前已经衰减为声波，声波满足线性叠加，即：击波抵达探头前已经衰减为声波，声波满足线性叠加，即：其中：丝阵是由其中：丝阵是由N根等分裂丝并联而成；根等分裂丝并联而成；P(N)和和p(N)分别是丝阵和单丝冲击分别是丝阵和单丝冲击波；波；p(1)是单根直径是单根直径0.2mm粗丝的冲击波。粗丝的冲击波。Tsinghua University“分裂丝分裂丝”丝阵冲击波估算值与实验值比较丝阵冲击波估算值与实验值比较 当丝数量较少时（当丝数量较少时（N 7），测量值和估算值吻合较好；而当丝

12、数量较多时，测量值明显低），测量值和估算值吻合较好；而当丝数量较多时，测量值明显低于估算值，其原因可能有三个：于估算值，其原因可能有三个：1、各丝电爆炸起始时刻略有差别各丝电爆炸起始时刻略有差别2、压力探头安装位置略微偏离丝阵轴线压力探头安装位置略微偏离丝阵轴线3、压力探头测量灵敏度具有方向性压力探头测量灵敏度具有方向性上述三个原因都是丝数量较多时影响更明显上述三个原因都是丝数量较多时影响更明显 Tsinghua University极限条件下的极限条件下的“分裂丝分裂丝”并联丝阵并联丝阵 “分裂丝分裂丝”数目的极限值数目的极限值Nlimit 根据根据“分裂丝分裂丝”定义，有：定义，有：N=(

13、D/d)2 (1)其中其中D和和d分别是粗丝和分别是粗丝和“分裂丝分裂丝”直径直径 若若“分裂丝分裂丝”紧密排列在圆周上，有：紧密排列在圆周上，有：N d=2 R (2)其中其中R是丝阵圆筒的半径是丝阵圆筒的半径 联立求解联立求解(1)和和(2)，得：，得：dmin=D2/2 R ，Nmax=(2 R/D)2 将将D=0.2mm和和R=50mm代入上式，得：代入上式，得：dmin=0.13 m，Nmax=2467401 247 万万 冲击波极限值得估算冲击波极限值得估算 将将Nmax代入代入“分裂丝分裂丝”丝阵冲击波估算式丝阵冲击波估算式 P=25.1 sqrt(N)，得：，得：Pmax=39

14、.4 Gpa Tsinghua University极限条件下的极限条件下的“分裂丝分裂丝”并联丝阵并联丝阵 工程可行性分析工程可行性分析 直径直径0.13 m的细丝或壁厚的细丝或壁厚0.13 m的铜箔显然是做不到的！的铜箔显然是做不到的！若将丝阵圆筒半径减小若将丝阵圆筒半径减小20倍，即倍，即R=2.5mm 则细丝直径或铜箔厚度增大至则细丝直径或铜箔厚度增大至2.6 m，冲击波强度估算值为，冲击波强度估算值为2GPa。考虑到丝阵圆筒仅考虑到丝阵圆筒仅2.5mm，各丝冲击波抵达轴线时强度衰减较小，并且速，各丝冲击波抵达轴线时强度衰减较小，并且速度也未衰减为声波，其汇聚波很可能非线性增强（马赫杆

15、效应），度也未衰减为声波，其汇聚波很可能非线性增强（马赫杆效应），强度应该远强度应该远高于线性叠加值的高于线性叠加值的2GPa。Tsinghua University“串联丝串联丝”丝阵丝阵 “串联丝串联丝”丝阵提出的初衷丝阵提出的初衷 增大丝阵电阻增大丝阵电阻 保持保持N 根丝不变时，根丝不变时，“串联丝串联丝”丝阵电阻是丝阵电阻是“并联丝并联丝”丝阵的丝阵的 N2 倍。电倍。电源内阻消耗能量占比将大幅减小，更多储能可用于电丝爆。源内阻消耗能量占比将大幅减小，更多储能可用于电丝爆。8根丝的根丝的“串联丝串联丝”丝阵，记为丝阵，记为S8 “串联丝串联丝”丝阵的缺点丝阵的缺点 由于相邻丝均不等电

16、位由于相邻丝均不等电位，环形电极骨架必须是绝缘体，且相邻丝（尤其是，环形电极骨架必须是绝缘体，且相邻丝（尤其是头尾两根丝）间距不能太近头尾两根丝）间距不能太近，。否则可能丝间击穿或绝缘骨架沿面闪络。，。否则可能丝间击穿或绝缘骨架沿面闪络。Tsinghua University“串串-并联丝并联丝”丝阵实验比较丝阵实验比较 丝阵参数丝阵参数 圆环丝阵直径圆环丝阵直径100mm，长度，长度20mm，均由，均由八根八根0.1mm直径铜丝直径铜丝构成。压力构成。压力波探头位于丝阵轴线波探头位于丝阵轴线“并联丝并联丝”丝阵，记为丝阵，记为P8“串联丝串联丝”丝阵，记为丝阵，记为S8 Tsinghua U

17、niversity 初始储能初始储能串联丝阵串联丝阵并联丝阵并联丝阵56J3.2MPa 0MPa100J8.7MPa0.67MPa156J11.8MPa10.9MPa225J13.1MPa21.6MPa“串联丝串联丝”丝阵和丝阵和“并联丝并联丝”丝阵实验比较丝阵实验比较 当储能当储能100J时，时，S8丝阵沉积能量丝阵沉积能量(48J)不到不到P8丝阵沉积能量丝阵沉积能量(25J)的两倍，但的两倍，但S8冲击波冲击波(8.7MPa)却是却是P8的的(0.67MPa)的的13倍，其原因是倍，其原因是S8的沉积功率远大于后者。的沉积功率远大于后者。随着储能增大，随着储能增大，S8丝阵和丝阵和P8丝

18、阵冲击波丝阵冲击波差距逐渐减小，最终差距逐渐减小，最终P8大幅反超大幅反超S8。其原因是：若储。其原因是：若储能较小，当能较小，当P8丝阵达到汽化温度前，由于很多储能已经被电源内阻消耗了，几乎没有剩余能量丝阵达到汽化温度前，由于很多储能已经被电源内阻消耗了，几乎没有剩余能量用来产生电爆丝冲击波了。用来产生电爆丝冲击波了。当储能较大时，沉积能量不是问题，重要的是高沉积功率。当储能较大时，沉积能量不是问题，重要的是高沉积功率。初始储能初始储能100J Tsinghua University“串串-并联丝并联丝”丝阵的优化设计丝阵的优化设计一、一、“串串-并联丝并联丝”丝阵丝阵 “串串-并联丝并联丝

19、”丝阵提出的初衷丝阵提出的初衷 在沉积能量足以汽化丝阵条件下，获在沉积能量足以汽化丝阵条件下，获取最高的沉积功率。取最高的沉积功率。“串串-并联丝并联丝”的构型的构型 将将“串联丝串联丝”丝阵的每丝阵的每1根丝均替换为根丝均替换为多根并联的多根并联的“分裂丝分裂丝”。二、设计的理论依据二、设计的理论依据 UEWE冲击波理论冲击波理论 足够的沉积能量只是金属丝发生相变的条件，而足够的沉积能量只是金属丝发生相变的条件，而高沉积功率高沉积功率才能使蒸汽丝加速膨胀，后续才能使蒸汽丝加速膨胀，后续膨胀波不断追上前面的膨胀波，形成冲击波。膨胀波不断追上前面的膨胀波，形成冲击波。电路理论电路理论 当负载电阻

20、等于电源内阻时（即匹配），负载功率最大。当负载电阻等于电源内阻时（即匹配），负载功率最大。4串串2并的并的“串串-并联丝并联丝”丝阵记为丝阵记为 4S2P Tsinghua University“串串-并联丝并联丝”丝阵的优化设计丝阵的优化设计三、三、“串联丝串联丝”丝阵的设计丝阵的设计1、“串联丝串联丝”几何尺度的确定几何尺度的确定 可将可将“串联丝串联丝”丝阵丝阵N 根丝看成串接在一起的根丝看成串接在一起的单根丝单根丝，其截面为，其截面为A；总长度为；总长度为 l。电源初始储能电源初始储能W0给定条件下，确定沉积能量给定条件下，确定沉积能量Wd 假设该单丝电爆炸时的假设该单丝电爆炸时的动态

21、动态电阻和电源内阻电阻和电源内阻“接近接近”匹配状态，则有：匹配状态，则有：Wd=W0/2。确定该单丝质量确定该单丝质量m 假设假设Wd正好等于金属丝的汽化能，则有：正好等于金属丝的汽化能，则有：其中其中Hatom为金属丝材料的原子化焓，为金属丝材料的原子化焓，M为金属丝材料的摩尔质量为金属丝材料的摩尔质量 Tsinghua University“串串-并联丝并联丝”丝阵的优化设计丝阵的优化设计 确定该单丝长度确定该单丝长度 l 和截面和截面 A 关系关系 根据质量公式，有：根据质量公式，有：A=m/(m0l)（1）其中其中m0是金属丝密度是金属丝密度 确定对应于最高沉积功率的确定对应于最高沉

22、积功率的 l 和和 A 基于比作用量模型，通过电路数值模拟，基于比作用量模型，通过电路数值模拟，迭代计算迭代计算得到得到最佳最佳 l，然，然后代入式后代入式(1)得到得到A。2、“串联丝串联丝”丝阵的绕制丝阵的绕制 考虑到头和尾两根丝之间电位差最大，为避免它们距离太近而击考虑到头和尾两根丝之间电位差最大，为避免它们距离太近而击穿，采用两个穿，采用两个“串联丝串联丝”丝阵各绕半圆周的方法。即用两根丝（长度丝阵各绕半圆周的方法。即用两根丝（长度为为l、截面为、截面为A/2），顺针和反时针各绕制），顺针和反时针各绕制1个个“串联丝串联丝”丝阵，如右图丝阵，如右图所示。所示。四、四、“串串-并联丝并联

23、丝”丝阵的制作丝阵的制作 将右图中将右图中两个两个“串联丝串联丝”丝阵中的所有丝均替换为并联的丝阵中的所有丝均替换为并联的“分裂分裂丝丝”即可。即可。Tsinghua University结论结论 对于给定的初始储能，对于给定的初始储能，“分裂丝分裂丝”丝阵电爆炸冲击波随丝数量增多而显著丝阵电爆炸冲击波随丝数量增多而显著提高，其单丝冲击波幅值正比于丝的直径，各单丝冲击波在丝阵轴线处满足提高，其单丝冲击波幅值正比于丝的直径，各单丝冲击波在丝阵轴线处满足线性叠加规律，即：线性叠加规律，即：对于给定的电源初始储能，对于给定的电源初始储能，“串联丝串联丝”丝阵不一定总是优于丝阵不一定总是优于“并联丝并联丝”丝阵，丝阵，当沉积能量足以使丝阵汽化的前提下，高沉积功率才是产生强冲击波的决定当沉积能量足以使丝阵汽化的前提下，高沉积功率才是产生强冲击波的决定因素。因此，因素。因此，“串串-并联丝并联丝”丝阵可能是最佳的选择。丝阵可能是最佳的选择。Tsinghua University 谢谢各位！谢谢各位！