大电流弧爆激波的改进等离子炬聚束性能研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王成江()男硕士教授:.通信作者:王海涛()男硕士研究生:.:./.大电流弧爆激波的改进等离子炬聚束性能研究王成江王海涛黎 鹏王凌威项思雅武俊红(.三峡大学 电气与新能源学院 湖北 宜昌.三峡大学 湖北省输电线路工程技术研究中心 湖北 宜昌)摘要:具有高温高压特性的大电流弧爆激波在材料加工与军工领域有着巨大的应用前景 为实现定向热冲击需要对弧爆激波聚束通过改进等离子炬设计了一种聚束原型机 采用等效电弧爆炸的方法利用 和高精度多物质求解器 对 组设计方案进行数值模拟分析了原型机的聚束管、管仰角和电极距离等对弧爆激波聚束性能的影响规律 研究结果表明:等离子炬通过加装聚束管改进后能将弧爆激波射流速度与压强峰值分别提升、管仰角 对出口出处射流速度有很大的影响弧倾角 为 时聚束波的速度和能量最大电极距离主要影响弧爆激波速度和压强的变化率关键词:电弧爆炸激波聚束改进等离子炬等效电弧爆炸本文引用格式:王成江王海涛黎鹏等.大电流弧爆激波的改进等离子炬聚束性能研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言当前我国航空航天装备制造与材料加工生产正不断面临新的极端挑战其中装备本体结构的轻量化高可靠性、高耐久性和抗损伤容限性能进入技术破障攻坚阶段 有效的解决途径是应用高强度的轻质合金结构 面对这种高强度合金结构传统的高温切割和热冲压成形技术因其温度和压力不足就显得无能为力 现有研究表明吉瓦 百千安的大电流放电过程中弧柱中心温度高达数万 千摄氏度()电弧瞬时产生的超压可以高达百 千兆帕()电弧产生的瞬间剧烈的分子热运动急剧压缩弧柱周围气体并以超音速向外膨胀形成爆炸冲击波 大电流电弧产生瞬间的表现形式类似于炸药爆炸简单起见称为“弧爆”弧爆引起空气膨胀并向外挤压产生冲击波此波是众多爆炸波中的一种简单起见称为“弧爆激波”如果能对具有高温高压特性的弧爆激波进行有效控制就可以用作高温切割和冲压成形所需热源与力源从而解决高强度材料加工和制造中的技术瓶颈问题为实现对弧爆激波控制基于等离子体炬工作原理探索一种弧爆激波聚束机构仿真研究在该机构作用下弧爆激波的聚束性能以期为高效的激波聚束实验和机构的结构设计提供理论与仿真支撑 弧爆激波与改进等离子炬聚束机构目前对于大电流电弧及其爆炸激波的研究已有了部分研究成果 将等离子体运动与爆炸冲击波理论联系起来研究电弧的膨胀过程在此基础上建立了电弧通道能量平衡方程来分析电弧通道半径的发展 等 认为电弧爆炸冲击波是爆炸波的一种形式并对球形、圆柱爆炸波的传播规律进行研究分析了靠近爆源处的爆炸波衰减规律并初步给出了电弧爆炸能量向冲击波转化的效率 熊佳明、黎鹏等 对电弧爆炸产生的冲击波超压作用和爆炸能量进行了研究计算了电弧爆炸冲击波超压传播数值与距离的关系 这些针对电弧爆炸冲击波进行的现象研究可为认识和应用电弧及其冲击提供理论基础欲实现弧爆激波在材料加工中的应用需要对四散的弧爆激波进行聚拢成束控制称之为“激波聚束”聚束后大致沿同一方向行进的激波称之为“聚束波”简单地说激波聚束就是通过特定的机构将向四周膨胀的激波聚拢在一起形成一束线性行进的聚束波 高温高压的聚束波就可以方便地实现高强度材料的加工并高效地利用弧爆能量电弧的形状难以控制弧爆产物是向四周高速运动的高温气流直接控制起来也比较困难 在爆炸和军工领域通常会采用改变结构的方式来提高爆炸冲击的效果如施加药形罩和改变炸药结构等 西安交通大学刘森辉课题组研究设计了电弧等离子体射流实验装置该装置是用于产生射流等离子借鉴等离子体射流装置的基本结构在等离子体射流装置出口增设锥型聚束管将阳极环装配在等离子炬出口与耐高温的聚束管之间聚束管的右端可变成锥型即管壁与管中心线之间张出一定的角度记为管仰角 阴极位于等离子炬入口中心处 在高电场强度作用下气隙发生击穿在阳极和阴极尖端之间形成电弧通道 随着阳极与阴极相对位置的不同电弧通道与阳极中心线之间的夹角随之改变记为弧倾角 等离子体射流装置与锥型聚束管共同构成了用于控制弧爆激波定向流动的机构即“改进等离子炬”具体如图 所示图 弧爆激波聚束原型机的/模型./当大电流通过改进等离子炬的阳极和阴极之间时产生高温电弧电弧起停瞬间的高压压缩通道周围气体并沿电弧通道向四周传播经历压缩、膨胀后形成弧爆激波 聚束管内壁的持续反射将弧爆激波约束在腔体内部向出口流动形成聚束波 激波受到聚束管的聚束限制后大部分的能量集中沿聚束腔道的轴向传播从而有利于提升激波的强度可以对弧爆引起的激波进行聚束研究实现弧爆激波的聚束与控制 改进等离子炬弧爆激波聚束建模弧爆激波聚束的原理如图 所示 当弧爆激波以阴极兵 器 装 备 工 程 学 报:/./为起点向阳极起爆产生的入射弧爆激波(波阵面)以速度 呈球形扩散传播 入射弧爆激波碰到聚束管壁或另一股弧爆激波时产生压缩反射或折射形成波速较大的反射波(波阵面)在 时刻弧爆激波汇聚在聚束点 形成能量和压强得到加强的新聚束波(波阵面)图 弧爆激波聚束原理.弧爆激波的等效建模为研究大电流电弧爆炸产生的激波大小和力学效应文献 中王巨丰团队基于磁流体动力学()与爆炸力学结合研究了电弧与炸药爆炸气流之间的耦合作用文献基于爆炸波与能量平衡对电弧进爆炸产生的超压进行了理论推导和仿真实验文献 中杨鑫团队在 高压电缆短路电弧爆炸下得出了电弧爆炸波能与 炸药爆炸波能之间的当量换算电弧爆炸本质是高温的离子体释放出大量的焦耳热强烈的分子热运动不断驱使周围空气以超音速向外膨胀即形成了弧爆激波 一般认为电弧通道膨胀诱导激发的激波属于爆炸波的一种爆炸源为电弧通道爆炸波为由电弧通道膨胀引起的激波为统一不同爆炸源和环境介质定义了特征半径 并通过 定义了无量纲参数 和 表示爆炸波半径 表示时间两者均为无量纲参数 ()/()/()/()其中:为未扰动介质声速 为测量点与爆炸源的距离为爆炸波阵面到 处所用时间 对应平面、圆柱形和球形爆炸波为爆炸波能量 为几何形状所对应的常数 为介质比热比为环境压强对于大电流电弧所产生的激波传播和超压可以用经典冲击波理论表示对于柱状的电弧通道所对应激波的传播用 来描述 基于自相似理论给出了中强爆炸激波的无量纲时间、距离和超压 的关系为:()/()()()式()、式()对于中强爆炸或近场冲击波的自相似条件适用度很好但爆炸波强度随传播距离增大而减小对于低能量或远距离冲击波状态可以应用弱冲击波理论描述结合前人的研究理论给出了爆炸波传播轨迹和超压公式分别为:()/)/()()()()()/()()式()()中:/()/()/()/()由爆炸波轨迹方程和超压方程计算得到电弧爆炸激波能量表达式为:/()()/()()通过式()利用激波的峰值超压和轨迹可以计算出激波的能量同理已知爆炸波能量也可以通过式()计算出激波在不同位置的峰值超压大小与此相似的是炸药爆炸是瞬时变为高温高压和高能气体爆轰产物气体不断积聚压缩并膨胀高速压缩周围气体使密度、温度等急剧上升形成爆炸冲击波 炸药在自由空气场中爆炸时冲击波波阵面上的压力受到炸药材料的密度、装药半径、炸药爆热、爆心距、空气初始压力 以及初始密度 等的影响 空气中炸药爆炸冲击波超压与其影响因素的函数关系概括表示为:()()冲击波的波峰超压 是表征冲击强度的重要物理参量其计算公式为:.()/()其中:为比例距离 为装药量电弧爆炸与炸药爆炸两者在产生机理和效果上上不尽相同由数 的电弧冲击爆炸产生几百 的高压激波与上百克炸药爆炸所产生冲击波的效果在一定程度上可以认为是相似的 因此电弧爆炸产生的超压效果可以由一定装药量的炸药来进行代替能量上需满足:()由此可以进一步对弧爆激波公式进行推导用炸药爆炸代替电弧冲击爆炸产生的超压为:.().弧爆激波的形成理论根据上述等效原理原理本文中采用.研究的“起火 增长”模型较为准确地描述瞬时爆炸的弧爆激波表达式为:王成江等:大电流弧爆激波的改进等离子炬聚束性能研究()()()()()式()中:为炸药反应的质量比、分别为炸药初始与反应密度、均为表征反应率的特征参数()状态方程是比较成熟爆炸产物模型其表达式为:()()()式()中:为爆炸压力 为相对体积 为单位体积炸药内能、为材料的常数根据爆炸波理论中的雨贡纽方程及 理论 可得到弧爆激波的波速方程为:()式()中:与(/)分别为爆速和比容、分别为其起始压力和比容弧爆激波从形成至峰值和衰减过程中峰值压力时刻附近是聚束波效率最高的时间 由于弧爆激波气流受到锥形聚束管壁的限制不会向整个空间传播消散并且反射向前故根据国防工程设计规范草案得出的弧爆激波气流压力峰值计算公式修正为:.().()()()式()中:为弧爆激波气流峰值压力 为炸药质量为弧爆激波阵面距爆炸中心的距离 式()式()简要描述了从弧爆到激波压力、速度的形成及衰减过程故本文中采用 炸药代替电弧爆炸着重关注激波的形态、激 波 的 作 用 力 大 小 与 传 播 距 离 关 系 以 峰 值 为、上升沿为.的电流产生的弧爆激波用 炸药进行拟合设置以接近弧爆时各项指标数据如表 所示 电极和锥形聚束管壁等材料采用 方程描述表 炸药等效模型及其状态方程参数 /()/./()/().激波聚束的仿真建模以峰值为 电流电弧冲击放电过程为例为更好地观察弧爆激波的力学性能和聚束规律采用有限元模型进行 计算利用 程序建立模型 计算域采用 网格与耦合算法在空气域边界上定义 流出边界条件模拟无限空间 本仿真实验模拟电弧通道弧爆激波的聚束情况其爆炸方式采用阴极中心点起爆为观察分析弧爆激波速度、压强能量的变化情况在起爆点 后等距间隔设置高斯测量点 起爆中心位于轴向距离 处出口距离位于轴向距离 处聚束管内径为 其余各结构及尺寸参数大小具体如图 所示图 等离子炬弧爆激波聚束仿真模型.仿真结果与分析电弧温度和弧长是由功率和电极间距等多因素共同决定的 当施加电流的功率大小和电极位置改变时电弧通道的直径、长度和夹角随之改变造成对弧爆激波的约束程度也有所不同 聚束管壁的张合角度也对弧爆激波的行进方向和形状具有重要影响 这些参数直接影响弧爆激波的超压、传播距离等因此通过聚束管对电极位置的调节可以达到对电弧通道长度、直径和弧倾角 等变量进行量化实现对弧爆激波压强和冲击速度、弧爆激波形状的控制 本文中通过改变管仰角、电弧通道倾角和弧爆通道的长短研究这些影响因素对弧爆激波聚束的影响共设计 种方案利用 对各个方案进行数值模拟模拟方案如表 所示表 种弧爆激波聚束数值模拟方案 方案编号电弧直径/电弧长度/弧倾角/()管仰角/().无.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.聚束管对激波聚束的影响从阴极向阳极沿电弧通道发生弧爆时弧爆激波以球面向四周扩散在聚束管的作用下爆炸气流凝聚形成一股沿水平直线射出达到增大速度、压强及能量的效果根据上述 种方案分别进行了仿真 号方案作为未施加聚束管的对照组结果如图 所示 在未施加锥形聚束管时大电流电弧爆炸后弧爆激波迅速向外扩散靠近阴极侧的前端弧爆激波迅速发生挤压形成微弱的马赫锥样式向前运动此时轴向速度与压强远大于其他部分的速度弧爆后由于四周无遮挡弧爆激波向四周衰减扩散 后前端的速度优势消失马赫锥形式弧爆激波基本消散速度与压强迅速下降射流距离比较小弧爆激波无法聚在一起图 前 内聚束形态图.图 为方案 的仿真结果其表示 内聚束管中弧爆激波的聚束状态示意图 从图 中可以看出在前 内弧爆距离阳极近的位置气流膨胀速度比中心轴线上的要快这一点可以认为是由于弧爆激波与聚束管作用造成的 随后由于反射激波的相互作用得到加强使得轴向具有较大速度且弧爆激波呈马赫锥形式向前射流聚束管边缘部分的弧爆激波稍滞后于中部随着弧爆激波的向前传播被聚束的弧爆激波也就越多中部弧爆激波聚束效果也就越明显图 前 聚束腔中的激波形态.从图 可以看出位于轴线上弧爆激波被聚束激波头部速度明显大于两侧弧爆激波经聚束管反射流向中部头部经过 后与中部和尾部的速度相差逐渐变大由于中部的弧爆激波逐渐靠拢聚束在一起速度大