水中气泡纳秒脉冲放电冲击波精准调控和声能效率优化

Impulsive underwater discharges (IUDs) have been used in many engineering fields, like sea-profiling, material-crushing, mining and drilling, due to them being environmental friendly, non-toxic and easily-controllable. However, the self-breakdown IUD is of poor stability and low energy efficiency for long inter-electrode gaps. This project proposes an efficient way to achieve the generation of strong shockwaves/acoustic waves by using bubble-injection topology. Mechanisms of generation and attenuation of shockwaves during their propagation will be revealed by optically observing the discharge processes. The influence of the topology design on the shockwave will be obtained. Also, their analytical scaling relations will be derived, which realizes the mathematical description of the influence mechanism. The energy distribution and conversion mechanism will be analyzed by modelling the discharge processes. Together with the scaling relations, this project will help to achieve the optimization of the design and the parameters’ tailoring of IUDs with bubble-injection topology in order to efficiently generate desirable shockwaves and will provide solid theoretical reference and technical support for their practical promotions.

水下脉冲放电以无污染、无毒、易操控的优势作为水下声源被广泛应用于海洋勘探、材料粉碎、开矿钻孔等工程领域。但是自击穿电极结构在长间距下的放电稳定性差、效能低，本项目提出利用水中气泡纳秒脉冲放电产生高效能冲击波。通过对放电过程的电学和光学诊断，揭示放电冲击波的形成机理，明晰电源参数和结构参数对等离子体和冲击波特性的影响机制。通过对冲击波的强度和幅频特性分析，总结冲击波在传播过程中的衰减规律。结合实测数据和理论分析，获得冲击波强度定量计算函数式，通过控制电源/结构参数实现对冲击波特性的精准调控。利用放电电路和振荡气泡计算模型，研究放电过程中声能、电能、振荡气泡内能、机械能等能量的演变和转化机制，提出声能转化效率的优化方案，将为指导水中气泡纳秒脉冲放电结构的优化设计及其推广应用提供理论依据和技术支持。

水下脉冲放电可产生多种理化现象，其中强力冲击波的释放有望应用于水下通讯、海底探型、水污染治理、资源开采等工程应用中。传统自击穿放电因放电路径随机，不利于冲击波控制，本项目提出利用人工气泡作为放电激励手段，拟实现对放电路径的引导，同时缩短放电延迟以提高放电能量，完成电-声转化效率的提高与优化，此激励模式下的电、声特性参数之间的关联关系有待于深入研究。本项目搭建了基于水下气泡引导放电的电-声-光学联合实验平台，通过对实验数据的采集与分析，研究了放电引导方式在自击穿和气泡引导击穿下的不同，揭示了人工气泡对放电丝发展路径的引导作用以及其对电极间场强分布的影响规律，并观察到人工气泡在脉冲电场下的形变特征；基于实验诊断数据，研究了放电过程中电-声学特性参数的变化规律，获得了影响等离子体能量的关键放电参数，建立了气泡引导放电模式下冲击波强度与关键放电参数之间的关联体系；基于Gilmore动力学模型和能量平衡模型，研究了放-声转化过程中震荡气泡的动态膨胀和衰减规律，初步揭示了放电等离子体能量向气泡内能与声能的转化规律与特征。本研究成果可为水下气泡脉冲放电声学效应的研究提供实验数据支撑，也为水下电声技术的应用提供重要的理论基础，具有重要的工程指导价值。

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