沉积能量对水下液态金属放电的影响

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Effect of Deposition Energy on Underwater Liquid Metal Discharge

研究采用GaInSn合金作为电极材料，探究液态金属丝电爆炸过程中沉积能量的阶段分配规律。通过测量放电过程中的电压、电流及冲击波压力波形，计算电功率与沉积能量，发现汽化-击穿阶段贡献了总沉积能量的76.2%，该阶段沉积能量提升可使能量转换效率提高38%-42%。实验为优化水下冲击波生成技术提供了关键参数依据。

　　

摘要：

金属丝在水中的电爆炸是一种生成强水下冲击波的有效方法，在电液成形和水下石油回收等领域具有广泛的应用前景。本研究采用镓-铟-锡合金（GaInSn）作为电极材料，研究了液态金属丝的电爆炸过程。在放电过程中，测量了负载电压、电路电流和冲击波压力波形，并计算了电能和沉积能量等参数。基于这些测量结果，研究了不同放电阶段沉积能量对电爆炸过程的影响。结果表明，在液态金属丝加热阶段，沉积能量基本保持不变。大部分总沉积能量发生在蒸发至击穿阶段，而冲击波能量主要来源于此阶段。提高该阶段的沉积能量能够显著提升能量转换效率。实验结果为工业应用中优化液态金属电爆炸技术提供了实际参考。

引言

脉冲电源和放电等离子体通常依赖于导线的爆炸[1]、[2]、[3]。水下电线爆炸（UEWE）是一个热门的研究课题，已成为一种在高重复性下生成水下冲击波的常用方法[4]。UEWE被认为是生成水下冲击波的有效手段，在医学、勘探、油气回收和食品加工等领域有着广泛的应用[5]、[6]、[7]。UEWE是通过向金属丝注入脉冲电流，使其由于焦耳热效应经历从固态到液态、气态，最终达到等离子态的一系列相变过程。这一过程最终形成等离子体通道，并伴随光学辐射和冲击波等物理现象[8]、[9]。先前的研究表明，电路参数和负载类型会影响电爆炸过程和冲击波的形成[10]、[11]、[12]。改变电路参数会直接影响放电各阶段的沉积能量。因此，研究放电各阶段的沉积能量对于高效生成冲击波非常重要。