水电导率对水下微秒脉冲流光放电形态的影响

李霄; 温小琼; 杨元天

doi:10.7498/aps.74.20241637

水电导率对水下微秒脉冲流光放电形态的影响

大连理工大学物理学院, 大连　116024

作者简介: 李霄.E-mail: xiaoliwuli@mail.dlut.edu.cn .

通讯作者: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

中图分类号: 52.80.Wq, 52.70.-m, 77.22.Jp

Effect of water conductivity on underwater microsecond pulsed streamer discharge type

School of Physics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Corresponding author: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

MSC: 52.80.Wq, 52.70.-m, 77.22.Jp

摘要: 水下流光放电在降解水中有机污染物、改良农作物种子等方面有良好的应用前景, 其放电形态对实际应用效果有重要影响. 本文利用四分幅超高速相机观测了不同水电导率、外加电压条件下水下微秒脉冲流光放电过程, 发现在高水电导率条件下存在两种不同的放电形态: 扇形丝丛和单根长丝. 在本文研究范围内水电导率800 µS/cm是两种形态出现率的分界点: 水电导率小于800 µS/cm时, 单根长丝形态的出现率为100%; 水电导率大于800 µS/cm时, 随着水电导率的增大, 单根长丝形态的出现率降低, 扇形丝丛形态的出现率增大; 水电导率大于1000 µS/cm后, 主导放电形态为扇形丝丛形态, 随水电导率的增大反转两种放电形态的出现率所需的电压增大. 扇形丝丛流光传播速度~1.7 km/s, 单根长丝流光早期传播速度~25 km/s, 后期传播速度下降至~0.8 km/s, 水电导率和外加电压对两种形态的传播速度没有显著影响. 扇形丝丛形态的放电延迟时间总是比单根长丝形态的大~8%, 单脉冲注入能量比单根长丝形态的小~20%.
- 水下微秒脉冲流光放电 /
- 水电导率 /
- 扇形丝丛形态 /
- 单根长丝形态
Abstract: Underwater streamer discharges have various potential applications in the fields of wastewater treatment, crop seed processing, etc. The underwater streamer discharge types have an important effect on the practical applications. In this work, the underwater microsecond pulsed streamer discharges are investigated by using an ultra-high-speed frame camera system at different water conductivities and applied voltages. It is found that there exist two different types of discharge under the same experimental conditions: the fan-shaped bush type and the long-single filament type. The water conductivity of 800 µS/cm marks the boundary point for the occurrence rates of the two discharge types: when the water conductivity is less than 800 µS/cm, the occurrence rate of the long-single filament type is 100%; when the water conductivity is larger than 800 µS/cm, the occurrence rate of the long-single filament type decreases, but the occurrence rate of the fan-shaped bush type increases with water conductivity increasing. When the water conductivity is larger than 1000 µS/cm, the dominant discharge type is the fan-shaped bush type, and the voltage required to reverse the appearance rates of the two discharge types increases as the water conductivity increases. The fan-shaped bush type streamer has a propagation velocity of ~1.7 km/s, and the long-single filament streamer has a propagation velocity of ~25 km/s in the early stage and a propagation velocity of ~0.8 km/s in the later stage. Neither of water conductivity and applied voltage has significant influence on the propagation velocities of the two types of streamers. The time lag of the fan-shaped bush-type discharge is about 8% larger than that of the long-single filament-type discharge. The injection energy per pulse of the fan-shaped bush-type discharge is about 20% smaller than that of the single filament-type discharge.
- underwater microsecond pulsed streamer discharge /
- water conductivity /
- fan-shaped bush type discharge /
- long-single filament type discharge .
图 1 实验装置图

Figure 1. Experimental setup.

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图 2 水电导率1200 µS/cm、电压38 kV条件下单一放电脉冲过程中依次获得的8幅时间演化Hα发光图像, 放电脉冲I和放电脉冲II的相机设定完全相同.　(a1)—(d1), (a2)—(d2)为放电早期阶段, 相邻两幅图像的时间间隔为80 ns; (e1)—(h1), (e2)—(h2)为放电后期阶段, 相邻两幅图像的时间间隔为200 ns, 所有图像的相机曝光时间为20 ns

Figure 2. Eight successive Hα emission images acquired during a single pulse discharge at water conductivity of 1200 µS/cm and applied voltage of 38 kV, the camera settings for Pulse I and Pulse II are identical: (a1)–(d1), (a2)–(d2) Correspond to the early stage of the streamer discharge, and the time interval between two adjacent images is 80 ns; (e1)–(h1), (e2)–(h2) correspond to the later stage of the streamer discharge, and the time interval is 200 ns, the gating time of each image is 20 ns.

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图 3 水电导率1000 µS/cm、电压38 kV条件下的单一放电脉冲过程中依次获得的8幅时间演化阴影图像, 放电脉冲I和放电脉冲II的相机设定完全相同图中相邻两幅图像之间的时间间隔为180 ns, 每幅图像的曝光时间为20 ns

Figure 3. Eight successive shadow images obtained during a single pulse discharge at water conductivity of 1000 µS/cm and applied voltage of 38 kV, the camera time settings for Pulse I and Pulse II are identical: The time interval between two neighboring images in images is 180 ns, and the exposure time for each image is 20 ns.

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图 4 水电导率对两种放电形态出现率的影响

Figure 4. Influence of the water conductivity on the appearance rate of the two discharge types.

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图 5 外加电压对两种放电形态出现率的影响

Figure 5. Influence of the applied voltage on the appearance rate of the two discharge types.

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图 6 扇形丝丛形态流光的传播速度与水电导率、外加电压的关系

Figure 6. The dependence of the propagation velocity of fan-shaped bush type streamer on the water conductivity and the applied voltage.

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图 7 一个放电脉冲下单根长丝形态流光丝长度随时间的变化

Figure 7. Time dependence of the length of long-single filament type streamer during a single discharge pulse.

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图 8 单根长丝形态流光的传播速度　(a)早期传播速度; (b)后期传播速度

Figure 8. Propagation velocity of the long-single filament type streamer: (a) Early stage; (b) later stage.

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图 9 水电导率1200 µS/cm、外加电压30 kV时放电电压、电流波形示例　(a) 扇形丝丛形态放电; (b) 单根长丝形态放电

Figure 9. Waveforms of the discharge voltage and current at 1200 µS/cm and 30 kV: (a) Fan-shaped bush type discharge; (b) long-single filament type discharge.

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图 10 两种放电形态的放电延迟时间与水电导率的关系

Figure 10. The effect of water conductivity on the time lag of the two discharge types.

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图 11 水电导率和外加电压对两种放电形态的单脉冲注入能量的影响

Figure 11. Effect of water conductivity and applied voltage on single pulse injection energy of the two discharge types.

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图 12 流光阴影图像　(a)第一模式放电(220 µS/cm, 19 kV); (b) 本研究观测到的扇形丝丛形态(1000 µS/cm, 38 kV)

Figure 12. Shadow images of streamer: (a) The primary streamer (220 µS/cm, 19 kV); (b) the fan-shaped bush type streamer (1000 µS/cm, 38 kV).

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图( 12)

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1. 引　言

水下高压脉冲放电可分为完全放电和局部放电^[1–3]: 完全放电是指放电通道贯通正负电极, 电极间的液体水介质完全击穿; 局部放电是指放电只发生在电极附近的液体水介质中, 放电通道没有贯通正负电极. 水下高压脉冲流光放电是一种常见的水下局部放电, 产生紫外线、OH、H和O等自由基以及H₂、H₂O₂、O₃等分子化学活性种^[4–6]. 近年来, 水下放电在纤维素材料改性^[7]、水中有机污染物降解处理^[8–10]、植物基因转录^[11]、农作物种子处理^[12]等方面展现出良好的应用前景.

通常, 水下流光放电采用针-板电极结构来实现, 针电极附近可以观察到两种不同模式的流光放电, 依据流光传播速度和放电形貌分为第一模式流光(primary streamer)和第二模式流光(second streamer)^[13–17]. 第一模式流光用ICCD相机几乎无法观测到发光图像, 主要采用阴影成像技术进行观测研究. 已经发现第一模式流光从针尖附近预先形成的气泡^[14]或气泡团簇突起^[18]产生, 传播速度为~2 km/s, 形态呈以针尖为中心的扇形气态丝丛, 扇形半径小于500 μm^[13,15,18]. 第一模式流光的持续时间大约在400 ns ^[14,15], 对应的放电电流仅有数十毫安, 往往被测量噪声淹没难以辨别^[18]. 第二模式流光从第一模式流光形成的丝丛中产生^[15,18], 传播速度为~30 km/s^[13–16], 形态呈树枝结构. 第二模式流光在水中跳跃式传播, 每跳一步流光头部发射一个球形冲击波^[14,19,20], 流光丝的最大长度能够发展到数毫米或数厘米^[21,22].

综合水下流光放电模式的文献报道可以发现: 过去的放电形态模式研究大都是在电导率小于800 µS/cm的条件下进行的, 比如, An等^[13]在水电导率2—800 µS/cm范围内、Ceccato等^[14]在水电导率0.1—500 µS/cm范围内、Fujita等^[15]在水电导率0.8 µS/cm以及Li等^[17]在水电导率20—320 µS/cm对两种放电模式进行研究. 这些研究对认识水下高压脉冲流光放电的物理过程很有意义, 但是在实际应用中, 水电导率往往大于800 µS/cm, 比如处理电镀工业废水中的氯代多氟醚基磺酸, 溶液电导率大于1000 µS/cm^[23]; 处理石油石化行业废水中的醋酸, 溶液初始电导率为1500 μS/cm^[24]; 处理水产养殖废水中的盐酸环丙沙星, 溶液电导率为~2000 µS/cm^[25]; 处理含氯苯的工业废水, 初始电导率范围在500—1000 μS/cm^[26]. 为了促进水下流光放电的工业规模化应用, 研究高水电导率条件下高压脉冲流光放电形态模式十分必要.

本文利用四分幅超高速相机在水电导率200—1400 µS/cm的范围内观测不同水电导率、外加电压条件下水下微秒脉冲流光放电演化过程, 基于发光图像和阴影图像研究水电导率对水下微秒脉冲流光放电形态的影响; 研究水电导率对流光传播速度、单个脉冲的放电延迟时间以及注入的放电能量的影响.

5. 结　论

利用四分幅超高速相机观测了不同水电导率和外加电压条件下水下微秒脉冲流光放电演化过程, 发现在高水电导率条件下水下微秒流光放电存在两种不同的放电形态: 扇形丝丛形态和单根长丝形态. 根据流光放电发光图像和阴影图像统计了两种形态的出现率, 发现在本文研究范围内, 水电导率800 µS/cm是一个明显的分界点: 水电导率小于800 µS/cm时, 单根长丝形态的出现率为100%, 而扇形丝丛形态的出现率为零; 当水电导率大于800 µS/cm, 单根长丝形态的出现率随水电导率增加而降低, 扇形丝丛形态的出现率随水电导率的增加而增大. 水电导率大于1000 µS/cm以后, 主导放电形态为扇形丝丛形态, 随着水电导率的增大要使两种放电形态的出现率发生反转所需的电压增大. 扇形丝丛形态的传播速度为~1.7 km/s, 单根长丝形态的早期传播速度~25 km/s, 后期传播速度下降至~0.8 km/s, 水电导率和外加电压对两种形态的传播速度没有显著影响. 在放电延迟时间上, 水电导率800 µS/cm也是一个明显的转折点, 水电导率小于800 µS/cm时, 单根长丝形态的放电延迟时间随水电导率的增大而增大, 水电导率大于800 µS/cm时扇形丝丛形态和单根长丝形态的放电延迟时间都随水电导率的增大而减小, 扇形丝丛形态的放电延迟时间总是比单根长丝形态的大~8%. 扇形丝丛形态的单脉冲注入能量比单根长丝形态的小~20%.

参考文献 (36)

水电导率对水下微秒脉冲流光放电形态的影响

作者简介: 李霄.E-mail: xiaoliwuli@mail.dlut.edu.cn .

通讯作者: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

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Corresponding author: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

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作者简介: 李霄.E-mail: xiaoliwuli@mail.dlut.edu.cn
大连理工大学物理学院, 大连　116024

English Abstract

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Corresponding author: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

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3.1. 水下微秒脉冲流光放电时间演化图像

3.2. 两种放电形态出现率

3.3. 两种放电形态的传播速度

3.4. 两种放电形态的电压、电流波形特征

目录

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出版历程

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作者简介: 李霄.E-mail: xiaoliwuli@mail.dlut.edu.cn 大连理工大学物理学院, 大连 116024

English Abstract

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Corresponding author: E-mail: wenxq@dlut.edu.cn.;

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3.1. 水下微秒脉冲流光放电时间演化图像

3.2. 两种放电形态出现率

3.3. 两种放电形态的传播速度

3.4. 两种放电形态的电压、电流波形特征

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