Механизмы образования и роста парового пузыря при импульсном электрическом пробое неполярных жидких диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ГГ6 ОД

МОСКОВСКИЙ ордена ШШ и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ 5 ' ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

СМИРНОВ ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА ПАРОВОГО ПУЗЫРЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОБОЕ НЕПОЛЯРНЫХ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Специальность 01.04.14 Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ ■ ' доосерта&и на соискание ученой степени кандидата технических наук

на правах рукописи

МОСКВА - 1993

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского Энергетического института

Научный руководитель : доктор физико-математических наук,

профессор O.A. Синкевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

А.П. Крюков

кандидат технических наук В.Л. Будович

бедущая организация: Институт Высоких Температур РАН

Зашита диосертации состоится ^^ 1993 годе в

'X часов на заседании специализированного совете К 053. 16.02 при Московском Энергетическом институте по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д.17, корпуо Т. 2 атак, к 206. (каф. ИТФ)

С диссертацией мовно ознакомится в ОяС потеке МЭИ. Отзыв ва автореферат просим направлять по адресу: 105835 ГСП. Москва Е-250, Красяоказарыенная ул. д.14, Учений сов . МЭИ.

Автореферат разослан " " а-Я. 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 053. 16. 02

К.ф-М.н. fi.

В.И. Мика

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность таны. Исследование импульсного електрического пробоя неполяриых жидких диелвктрихсв отимулируется их широким распространением в различных влектротехничеокях устройствах и использованием в електрофиэически технологиях.

Несмотря не прикладное значение и работу многих исследователей в течение деоятков лет, пробой жидхооти оотеется относительно малоизученным (по сравнению о аналогичными процессами в газах) раздела! физики диелектриков. Это овязано о тем. что пробой жидкости в отличив от пробоя газа происходит в на порядок более сильных електричеоких полях и характеризуется очень высокими зййчетмш* концентрации енерпш, малым размерами и временем жизни нредпробойшх образований, отделенных от приборов слоем жидкоети.

С тнметеи быстродействующих оптичесхих систем высокого разрешаю» стало веамоишм изучать литнику предпробойяых обраэовашм,однако до оих пор на явно« например, в каком состоянии находится вещество в канале отдаера, является ли оно юдкостьв или ионизированным газом.

Трудности в тесретечаоком подходе являнтоя общими для физики кидкооти и связаны о не упорядоченностью ее структуры. Кроме того, в тех областях жидкости, где проиоходит подвод енергии от внешней ценя, может произойти фазовый переход, что во многих случаях наблюдают на самой ранней отадии пробоя.

Одной из важных задач проблеш пробоя жидкостей является изучение начальной отадии развития разряда, когда ионизационным процессем в жшжой фаза предшествует образование в области локального усиления электрического поля (вблизи микроострия на алектродв) полости поюжекиой плотности, которую трактуют как микронузырек.

Цель работа. 1. Построение математических моделей, описыващих рост иикрспуэыря в неполярнои жидком диэлектрике при наличии сильного электрического поля на начальной стадии пробоя, г. Построение математической модели частичных разрядов в растущей пузыре. 3. Проведение численных расчетов и исследование режимов дшюмикн пузыри. 4. Построение инженерной методики расчета

вольт-еекурдных характеристик пробоя «идкоотнкх промежутков.

Основные результаты и их научная новизна.

1.Предложена модель динамики предразрядной полости, учитывавшая все компоненты баланса энергии :кинетическую анергию жидкости, работу электрического давления , дкоулево тепловыделение в газовое фазе при частота« разрядах, потери на испарение и нагрев падкости.

2. Продемонстрирована возможность суиествоваиия колебательного режима роста полости в относительно слабом электрической поле, что особенно важно щи воздействии на дивлектрик акустического излучения. Предложен механизм затухания пульсаций периодически пробивашейся полости в влектричемюи воле.

3. Сформулирована модель и получены урвнения перенооа тока в полости на катоде, позволяющие определять хврактедастики частичных разрядов в комплексе о наблюдавший оптическая методами ее радиусом и скоростью раодяреыия.

4. Предложена шшшорпая методака расчета вольт-секундных характеристик пробоя жидкостных промежутков для шшульоов игофосекувдноа длительности.

Практическая значимость работа

1. На основании проведенных исследование построена инженерная методика расчет вольт-секундных характеристик пробоя «ндкоотных промежутков, которая использовалась ва Запорожской трансформаторной згвоаз для оценки прочности ме^катушечвой изоляции при воздействии грозового пшульоа.

Апробация работа,- Основные результаты работы докладывались ва заседании 5-оЯ Всесоюзной сколы: визика импульсных разрядов в конденсированных средах. (Николаев. 1991 г.); ва расширенном заседании секций "Научные основы электрофизики и електровнергетики" и "Мойная импульсная энергетика" Научного Совета АН СССР гЭлектрсфизические ово&ства диэлектриков при воздействии электромагнитных в акустических полей (Иваново 1991 г.); на 2-оа Всесоюзной конференции: Физика и техника мокодасперсных систем. ({Москва. 1991 г.): на 4-ой Всесоюзной школе семинаре молодых ученых и специалистов: Актуальные вопросы тешю&ошеи л фозичеокоЧ гидродинамики. (Алушта. 1991 г.); ва 4-ой

Конференции по физике газового разряда- (Казань. 1992 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи (1.2} и тезисы докладов конференций [3-6].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 105страницах, из них 18 о рисунками. Библиографический список содержит 90 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . Во 'введении обосновывается необходимость исследовшшй, проведенных в диссертация, дается краткий обзор состояния рассматриваемых вопросов, обшая постановка решаемых в диссертации задач, а танке перечисляются основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются литературные данные по предпробойным явлениям в неполярных жидких диэлектрика!, прочем основное внимание уделено работам, посвяшенным исследованиям начальной стадии пробоя. Эксперименты, проведенные различными авторами, оведетельствуют, что полный пробой жидкого диэлектрика является последовательностью стадий: 1) инжекция заряда о микроострий в объем жидкости; 2) образование и рост оферического пузырька, сопровождающейся частичными разрядами; 3) развитие неустойчивости поверхности пузыря и переход к стримеряой стадии пробоя; 4) распространение стримера и перемыкание им разрядного . промежутка.

Более четко такая последовательность стадий .наблюдается щи пробое о катода. В этом олучае рост пузыря сопровождается регулярными частичными разрядами. При пробое о аноде частичные разряды носят более случайный характер.

Обзор теоретических работ посвященных пузырьковой стадии пробоя обнаруживает их неполноту. Вследствие простоты использованных в них. физических моделей, все они допускают сравнение с экспериментом только по зависимости радиуса пузыря от времени. Эта зависимость определяется приравниванием кинетической енергии жидкости работе сил електрического давления на границе полости, гтри етом, обычно, не учитывается давление газа внутри пузыря, потери енергии на теплообмен и фазовый переход. Механизмы

переноса заряде ь растущей перевей полости и хвректерястика частичных разряде» я доетвточной мер« не внвлизиревялись, Тем не менее, простые мелели двют херовее согласи» в вквпвряментом для зависимости радиуса пузыря от времена яле рвзяшвх зоадаи диэлектриков и являются дезой для веотромш более сложных моделей. Решения, получеяшз не осиевыши ш моделей, использовались в качестве тестов для расчетов прэввяевш« в данной работе.

Во второй главе проенйлияировекы мехшшмы воздействия влектрического поля на жидкий давлектщк, ПРИВОДЯ®« к образование пузыря, и формулируются основные уравнения модели динамики сферически-симметричного пузыря при НАЛИТОЙ влектрического поля.

механизмы обрвзоввяия пузыря и» елвятродех существенно отличаются от изхттшт щв наличии воля, во вдет от электродов, когда преобладают адевтреетривдюяше ш, подавляющие образование перовой полости.

Наиболее сушетвшш еледувди механизмыI 1) кулоновское раствлюгййййб звряхтш яршехтреяшх олова жидкости из-за неравновесной ютшт в б рядов о микроострия (влвктрогидрваяивоиий еффект); 2) локелышй перегрев жидкости, ироявлятЛт щя достаточно высокой проводимости дивлектрика (вода, водив електролиты); 3) десорбция растворенных газов из-за локального разогрева; 4) разложение молекул пучком вмиттированных влектронов ( роль втого механизма для различных дивлектриков можно оценить по данным радиационной химии); 5) локальные микроразряды непосредственно в жидкой фазе (например, вследствие межзонного пробоя вблизи микроострия).

Эти механизмы далее моделируются начальными условиями для системы уравнений динамика пузыря и, как показывают расчеты, влияние начальных условий на еволюшго со временем быстро уменьшается.

При Формулировке уравнений, описывающих динамику пузыря в електрич#ском поле, учитывалось, что возникший на микроострие пузырек имеет форму близкую к сферической, вследствие малости радиуса йу и преобладания сил поверхностного натяжения. Отклонения форм от сферической могут влиять на распределение поля по

¡гсверхнооти, но слабо влияют не твшюмассообмешше соотношения.

Температура пера а полости Фу принималась постоянной по сечению и существенно отличалась от температуры окружащеЯ жидкости, вследствие джоулево тепловыделения в полооти. Лля модели неравновесной границы раздела фаз записывались уравнения баланса массы и энергии паровой полооти, а потоки массы и анергии на меифазной границе определялись по известным формулой (Греца-Кнудсена или Лабунцовв и Муратовой). Уравнение баланса энергии отличалось от известного в физике кипения наличием джоулева тепловыделения

0Е= / -ТДЛг3 , (1)

где <Гу ,Еу- плотность тока и напряженность в газовой фазе (далее везде индеко V относитоя к параметрам полооти, » -жидкой фазы).

Переход к термодинамическому равновесию на границе раздела фаз соответствует тану, что температура пара (газа) постоянна по сечению и равна температура жидкости на границе пузыря, давление в полости равно давлению насыщения при втой температуре. Уравнение баланса энергии полости о давлением Ру внутри нее для термодинамически равновесной границы имеет вид

¿уРу(у + 0 + 1) + РЯу(т + 0 -1) « <0£ - О х)/ ЛЯ И^ , (2) если кривая насыщения Задана выражением

Ру* Р0ехр (Ш/ й0( т;1 - Г1)) . (3)

Здесь Т0, Р0 - параметры на линии насыщения, и -молекулярная масса пара в полооти, И - теплота парообразования,

О,» Ш* X (вТ/ЗР)гшЯ ' (4)

- теплота.переданная в окружающую жидкость, X -теплопроводность жидкости, 1 и 0 - функции теплофнзических свойств пара и температуры. Температура жидкости определяется из решения уравнения теплопроводности. Модель термодинамически равновесной границы может применяться, если скорость роста пузыря много меньше скорости звука в газовой фазе.

Уравнение Релея для радиуса пузырька в влектрическои поле имеет вид:

Я R 2 ff P + P- P

R + + + -— = -■-. (5)

R R .p R p, R

V vl-v I V

здесь P -внешнее давление ; P - давление, связанное с действием

» •

електрического поля

t.i! с Еа

tea с вг ,

Р • —fl-L- - -fl-Jt~ + Г q К 4г

• о о J • •

2 + «

2 я (6)

*

где с, с0- диелектрические проницаемости жидкости а вакуума, q^ -объемная плотнооть заряде я напряженность поля в жидкости.

Существенную роль в предпробойных процессах играет распределение поля, поэтому полное описание динамики пузыря должно включать уравнения электродинамики. В данной работе предложен приближенный метод определения замшюшнх соотношений для джоулева тепловыделения и электрического давления ва границе пузыря для,, •• случая малой подвижнооти носителей зарядов в жидкости Jl^ , когда уходом гарядов с поверхности пузыря, можно пренебречь, т.е. выполняется неравенство

Ji.E, « Rv . (7)

Эксперименты показываю!', что перенос заряда в полости осуществляется короткими импульсами тока, сопровождающийся световыми вспышками - частичными разрядами. В етих условиях будем рассматривать все величины сглаженными по промежутку времени большему, чем период следования чаотичных разрядов, но существенно меньшему характерного времени роста пузыря. Dpi втш электродинамическая часть задачи имеет малый парамзтр равный отношению ореднего по времени поля в газовой полости к полю в жидкой фазе ( из-за екранировки поверхностным зарядом). Нулевое приближение по етому малому параметру соответствует идеально проводящему пузырю. В втоы приближении электрическое давление на поверхности пузыря определяется по полю на его вершине Е .

»

P.s£coe'/2' f0>

а джоулево тепловыделение отсутствует и существует в первом

приближении.

Полный заряд поверхности пузыря дается соотношением

Q = е е0<Еа > . (9)

где <Е0 > - средняя по поверхности пузыря напряженность поля в жидкости. Полный ток I через паровую полость, замыкаемый током смешения, есть

1= dq / dt,

откуда, раскрывая производную по времени, имеем

, 3<Е >

1= 8*ee„R R <Е„> + 4яй ее R ( 55-*- }„ +

О v v S v О v V ЭК •lU"oon«t

v

3<Е >

+ 4ЯЙ СЕ Г -~t s )„ t (10)

v О» а ь J Я >i<>nit .

V

Первое слагаемое есть ток,связанный с увеличением плошали пузыря, второе слагаемое связано о зависимостью напряженности нв поверхности от радиуса пузыря при неизменном напряжении на електродах, третье слагаемое - ток, вызванный изменением приложенного напряжения.

Джоулево тепловыделение рассчитывается по формуле

Q£* III AU . (11)

где AU - средняя (эффективная) разность потенциалов между микровыступом и поверхностью пузыря при которой происходит его пробой. Физический смысл этой величины поясняет рис. 1. Разность потенциалов, необходимая для пробоя в полости, •экспериментально оценивалась в 300-1000 в и слабо зависела от радиуса пузыря. (Коробейников С.М.). Модельные расчеты главы 4 подтвердили, что AU мало зависит от размера пузыря, и определяется в основном радиусом вершины инициируппого микроострия.

7777777//////////// Р 2 я 09 / ЗТ J « -Г*1 3(Р / 82

/ вг

¿г « г"' ау / 8т

"в

I V

« г J в аг3» / а* л? «= I до

Рио.1 К вычислению джоулева тепловыделения в полоота.

Уравнения (2-6), (8-11) (либо о уравнением баланса ыаооы и анергии для неравновесной границы раздела фаз вместо (2) ) с соотвстотвущими иачальшдмусловиями, дополненные уравнением теплопроводности для жидкой фазы и олоктроотагическима формулами для вычисления поля на поверхности идеально проводящего пузыря, образуют замкнутую систему, позволяю«» моделировать динамику пузыря в электрической поле.

§ третьей главе проведен численный шалив предложенной системы уравнений динамики пузыря в олектрическом поле. Анализ характерных времен задачи

_ «X,

(Я)

ы г «я

°(Р +ее В*/2-Р )'/3

ОМ 09

(12)

где х, -коэффициент температуропроводности жидкости, показал, что для ыалотеплопроводтп жидкостей (углеводороды, изоляционные масла) при напряженности! поля близких к пробойным выполняются неравенства

и

е"" «

К<Р)

(13)

пузыря, когда о окружашей

что соответствует инерционному режиму роста определяющим является давление, а теплообмен жидкостью несущественен.

В соответствие о втим в уравнении баланса анергии полости пренебрегаем Од, уравнение теплопроводыооти для жидкой фазы исключается в модель динамики пузыря описывается системой

обыкновеных дифференциальных уравнений.

Чтобы избежать трудностей, озязшшых о решением елвктростати-ческой части задачи, расчеты проводилиоь для молельных положений пузырька на влектрод81 - "пузырек не плоскости" и "пузырек па игле", для которых имеются аналитические формул».

Численное решение систем» уреэденнй показало, что при достаточно высоких напряжвяноотях поля, когда электрическое давление на поверхности пузыря преьосходит гидростатическое давление в жидкости,имеет меото быстрый монотогашй рост , пузыря. В случав, когда электрическое давления меньше или равно гидростатическому и в начальный момент не выполнено уолсвие мехсничаского равновесия пузыря (или оно нарушается из-за зввиоимссти поля на поверхности от радиуса пуь-ря), яугнрэк совершает потухоюгапе колебания, а его радиус в среднем по преиеии рпстетЛРяо 2.) Наличие колебательного режима росте, па который ранее не обращалось внимания, связано о тем, что в вловтрическем поле при пульсациях пузыря имеет меото подвод оперта к полости посредством дкоулева тепловыделеня из-за ее периодических пробоев.

Медленный роот среднего (равновесного) радиуса пузыря по фоле его малых незатухавдих колебаний проанализирован олмттачос^. Среднее зв период дюэулево тепловыделение в колеблщемсл о емшга-тудой А и частотой а пузыре есть '

<0Е >=1б А ее0№ (14)

Уравнения для смешения равновесных зпачетш родиуоа Л^01 и давления записываются в виде

он *

__; _ Т)(0> . __О Я _ г,

В«°> ' + 2 • (15) V

п'0,р'0>(7+5+п + р""н«?»<г+(М) - -^т-г- •

» V - } V » - А% К<0)Я

В ппенебреяении повешностяым натяжением для пузыря, совершашего колебания с собственной частотой и амплитудой А,имеет меото зависимость равновесного радиуса от времени

I. ткз

Рис.2. Динамика пузырька в трансформаторном масле в однородном поЛе. ди=500 В.

I. ткз

Рис.З. Рост пузырька в н-гексане в поле акустического излучения •лнтунсивностью 1 вт/см2 .частотой 200 КГц. Е =0.20 МВт/см.

(04 (01 I 36 А ее0<Лш> ДЦ г_

Яу П).Яг <0)[1+ №(о,(0)[Р|((т+(,)а_1)(Рв_ /17)

В работе пронанализирован мегакизм дополнительной диссипации колебаний периодически пробивающейся полости .связанный о тем, что в фазе роста радиуса электрическое давление на его поверхности несколько меньше, чем у идеально проводящего пузыря, а на стадии охлопывания несколько больше из-за избыточного заряда на границе.

Колебательный режим роста особенно важен при действии ультразвука на пузыри в электрической поле. Такая задача представляет интерео для звукохямии. В втсы случае електрическое поле наряду с жидкостью и газовой полостью участвует п перераспределении енерпш при колебаниях. Наличие дополнительной диссипации приводит к перекачке енерегии акустичеокого излучения во внутреннюю энергию полости.

Расчета показали, что воздействие акустического излучения на пузырек в електрпческсм поле может привести к его интенсивному рооту (Рис.З). Резонансные явления при этом практически не наблюдаются из-за вязкой а дополнительней диссипации.

Четвертая' глава посвящена решению модельной ' задачи по определению характеристик частичных разрядов в паровой полости на фоне ее роста. Денная задача содержит два существенно различных времешшх масштаба: характерное время роота полости и характерное время нарастания тока при пробое. Для описания процессов в растущей полости предлагается система уравнений, содержащая электродинамическую и гидродинамическую црдсистеи^.

Гидродинамическая подсистема представляет собой уравнения Ре-лея, внергпи я баланса насси сферической полости, записанные для мгновенных, а не сглаженных величин (использована модель неравновесной границы раздела фаз).

Электродинамическая подсистема выведена в предположении, что перенос заряда в полости осуществляется электронными лавинами (затравочные электроны рождаются вследствие пвтоемиссии), а на поверхности пузыря скапливаются заряды, экранирующие поле внутри него. С целью избежать. не оправдания услозшеяиЯ, связанных о

проотронотвениой конфигурацией системы пузырек-электрод, использовалась простая модель, в которой микровыступ на влектроде заменен сферой малого радиуса Як, а газовая полость сфера о радиусом Йу много меншим расстояния до противоположного электрода - расположена вокруг центрального электрода симметрично.

Описание переноса заряда при пробоях полости проводилось методом Шаде, т.е. считалось, что распределение электронов квазистационарно, ионы рождаются вблизи поверхности пузыря и дрейфуют к аноду, пространственный заряд мал и не влияет на коэффициент усиления электронного тока в , полости, который описывается уравнением лавинного пробоя

1«ктв1ои) + ^.„(^Нт-г^-Ц . (18)

где I - затравочный ток на катоде, к- ионизационный коэффициент усиления тока в полости, зависящей от разиооти потенциалов между ее поверхностью и катодом ¿и, у - коэффициент вторичной эмиссии, г( - время дрейфа ионов в полости.

Учет заряженного облака ион<5в в полооти необходим, так как оно определяет импульсный характер протекания тока! когда поле экранируется и олектронного тока практически нет, заряд продолжает переносится рожденными ранее ионами и снижает разность потенциалов на полости почти до нуля. Исходя из атого, в уравнение для разности потенциалов на пузырьке в качестве екранирупцего подставляется заряд осевших на поверхность ёлектронов плюс заряд во&х находящихся в полости положительных ионов (назовем его Ек{фектавнцм зарядом

1-Т *

{ 1.йПс-1)« - х М . (19)

о о

Уравнение для разности потенциалов на полооти при постоянном напряжении на точечном влектроде и ( и<0 для катода) имеет вид

Н и - а ■/ 4 я Я'

ли

Уг' 4 * а (20)

Vй, е-(е-1> И,, / Я¥

Урамения (-10-20) образуют електродинпмическую подсистему, которая решалось численно совместно о гидродинамической ис'Дгис'ТсмоЯ. Пример расчета приведен на рисунке 4.

8?

t. ns

toc.4 .Частичный разряды в пслооти при «к^Гн . н',:>ч.-г.-л»)н апрякйгаи на аяйк^гдах ;3b'/,it- ,~on кР мко, •екпм о преобладанием автлзлтсгга.

Во всех случаях шел место режим переноса тока частичными разрядами с кажущимися зарядами Ю-13 - 10"®Кл.

Характер пробоя различается для разных размеров пузырьков: в начальный момент, когда пузырек имеет очень малые размеры единственным механизмом рождения електронов является . автовмиссия, так как рождающихся на коротком отрезке ионов недостаточно для поддержания вторичной вмиссии; етот тип пробоя имеет место до размеров полости ~ 30-40 мкм . При увеличении радиуса полости выше 60 - 60 мкм основную роль в рождении електронов начинает играть вторичная емиссия. В целом, картина протекания тока качественно удовлетворительно согласуется с осциллограмами токов при прбое о катода. Вычисляемый ток через полость отличается от протекавшего во внешней цепи (наблюдаемого в экспериментах), и для нахождения полного соответствия нужно рассматривать вквивалентные схемы разрядного промежутка с полостью.

Расчеты проказывают, что температура и давление в полости в момент частичных разрядов могут* значительно повышаться и при малых размерах пузыря основной вклад в баланс энергии полости дает джоулево тепловыделение, а не работа електрического давления.

Удовлетворительное согласие с экспериментами, в которых наблюдалось развиие газовой полости при одновременной регистрации токов, несмотря нв предельную простоту,модели,указывает, что при пробое жидкости на стадии роста полости пониженной ' плотности действуют известные из физики газового разряда механизмы автовмиссия, вторичноя емиосия, лавинное . размножение електронов ударной ионизацией, искажение поля пространственным зарядом ионов. Проведенное исследование позволяет сделать вывод о перспективности построения более сложных математических- моделей частичных разрядов в жидкостях.

В пятой главе строится инженерная методика расчета вольт-секундных характеристик плоских разрядных промежутков, когда пробой развиваетоя с катода. Катодные стримеры распространяются о дозьуковой скоростью-и, по-видимому, могут интерпретироваться как кывитациошше разрывы, продвигащиеоя в основном под действием челектрического давления на вершине.

Стимерный канал моделируется проводящим цилиндром радиуса Н

со скругленной головкой , который, удлиняясь пол действием электрического давления, перемыкает разрядный промежуток, я ото считается завершением пробоя. В начальный момент, когда поле на вершине невелико, такой канвл моделирует пузырек, а' его вытягивание моделирует нелинейную стадию развития неустойчивости я переход к стримеру.

Уравнения движения канала выводятся в предположении, что его рост ограничивается влиянием только сил кпершот. Влияние вязкости учитывается выбором радиуса цилиндра Яъ , который оценивается как размер наиболее быстрорастущего возмущения плоской проводашй поверхности в электрическом ноле.

Для продвижения канала должны выполняться по крайней мерз для условия.

1. В критической точке на вершина канале должно выполнятся условие равновесия между динамическим напоре?* , гидростатическим давлением и давлением пара внутри канала.

2. Должно выполняться уравнение нестационарного движения тела в жпдкооти для канала как целого.

Присоединенная масоа канала находится в предположениям, что его вершина обтекается как полусфера, о за пей, реализуется вихревое течение, пе влияшее но сопротивление.

Уравнение движения предраэрчдБого капала длиной Ь имеет тяг

.. , I2 сс„£а (1+»)+Р-Р ,,,,

т X ^--и— - -О воя___V ,,. И,,, П /г < 121;

Ь + 2 Ль " Йь , П « 1.

при Ь йь оно перегодит в уравяенеие Релея.

Все модельные представления для сферического пузырька с равновесной фазовой поверхностью переносятся но случай дашнязлегося канала, отличия связаны с иной зависимостью мзжау объемом и плоладью.

Отметт», что давление пара сказывается на начальной медленней ;тадии роста канала, поэтему оно оказывает влияние на время (апаздывания пробоя. На большей части пути стримера давление пора ¡ренебрежимо мало по сравнению с электрическим давлением»

В уравнения, описывающие движения, канала входит непряженооеть •оля на его вершине, которая находилась из решения соответствуизей

влект{юст&ТйЧбскбй задачи. При расчетах напряженности и влектрйЧвСКбРО Дйвланжя Поверхность канала считалась еквипотеНЦибльНоЙ.

Поле На бершине находилось но формулам, полученным апроксимацией численных расчетов по программе АКСИАЛ. с помощью специально введенного Параметра учитывалось возможное отклонение от цилиндрической формы, к Которому чувствительна напряженность на вершине.

Система уравнений динамики растущего канала интегрировалась численно методом Рунге-Кутта-Мерсона о автоматическим выбором шага. Подбирая параметры,можно добится хорошего согласования с экспериментом ДЛЯ ааборов 100-200 мкм (Климкин Н.Ф.).

Анализ Чйелеиш расчетов показал: канал характеризуется сверХёкенойёшщальней- скоростью роста! радиус канала .оказывает очень сильнее влияние на бремя пробоя| с ростом длины канала его скорость -. - еущеетееше возрастает и может достичь скорости звука ь »едкости, а пале иа верше канале может достигать физически нереализуемых значений. Очевкдао, что щи достижении некоторого кштичеекоге (значения навряжежеега, которое соответответ началу ишшэйцйи е жидкой фазе, скорость распространения следует определять по опытным дшшш для стримеров.

Разработанная модель даеильно отражает физические характеристики системы на етешв» йерехеак стримеру и может использоваться для расчета динамики стримеров распространяющихся с катода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании обзора литеретурц по предпробойным образованиям в неяеляриых жидких диалектриках показано, что образование газовой фазы в области .локального усиления поля является общей закономерность» пробоя вплоть до наяооекуадных импульсов с напряженностью в плоском промежутке до 1.5 - 2 МВ/ом. Пробой едкого диелектрика является последовательностью следующих дтадой! образование пузырька| его рост, сопровождаемый частичными разрядами! рвэйнтие- неустойчивости поверхности} формирование ^■тримориого канала - дозвукового с катода и сверхзвукового о

М10ДЙ,

?. Проанализированы причины образования пузырька. Наиболее

важными причинами при импульсном микросекундном пробое неполярных жидкостей являются : влектрогидравлический эффект из-за неравновесной инжекции заряда, локальные микроразряды в жидкой фазе на вершинах микроострий, разложение жидкости пучком эмиттированных электронов.

3. Предложена модель для описания динамики предразрядной полости, учитывающая электрическое давление поля на поверхности пузыря и джоулево тепловыделение в газовой фазе. Выведены простые замыкающие соотношения для электродинамических величин на -основании представления о невозможности существования больших электрических полей в газовой фазе.

4. Показано, что возможны два режима роста полости: быстрый монотонный рост, когда мантрическое давление существенно превосходит гидростатическое, и более медленный колебательный режим.роста в относительно слабых полях, когда энергия от внешней цепи подводится, главным образом, за счет необратимого процесса -джсулева тепловыделения в полости.

5.Исследовано взаимодействие пузырьков на электродах с акустическим излучением. Показано, что периодические пробои колеблющейся

полости приводят к дополнительному затуханию колебаний. •

6. Рассмотрена задача о переносе заряда в растущей полости. Предложена системе уравнений, содержащая ме'дленную гидродинамическую и быструю электродинамическую подсистемы. Численным интегрированием получены решения, отвечайте росту полости на фоне происходящих в ней частичных разрядов. Основной причиной импульсного характера тока является наличие облака положительных ионов в полости. *

Показано, что на ранней стадии роста в очень сильных полях давление пара в момент пробоя полости может превосходить (электрическое давление.

7.' Прздложена инженерная методика расчета вольт-секундных характеристик жидкой изоляции при инициировании пробоя с катода на основе модели удлиняющегося под действием электрического давления кавитадаонного разрыва, гщремыкаю^эго разрядный промежуток. Согласование с экспериментом обеспечивается подбором параметра, определявшего зависимость поля на вершине канала от его длины.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах!

1. Глазков В.В., Синкевич 0.1., Смирнов П.В. Сферический пузырек в жидкой диэлектрике при наличии электрического поля // Теплофизика высоких температур 1991.- Т.29.- N6.- С. 1095-1102.

2. Пылаева И.В., Синкевич O.A..Смирнов П.В. Численный анализ динамики сферически-симметричного пузырька в жидком диэлектрике при наличии електрического поля. // Теплофизика высоких температур 1992. -T.30.-N2. -С. 367-372.

3. Глазков В.В., Пылаева И.В., Синкевич O.A., Смирнов П.В. Механизмы образования и динамика парового пузыря при пробое жидких диэлектриков.// Тезисы докладов расширенного заседания Научного Совета АН СССР: Электрофизические свойства диэлектриков при воздействии электромагнитных и акустических полей. Иваново. 1991 г. -С.20-21.

4. Синкевич O.A., Смирнов П.В. Образование газовой фазы в жидком диэлектрике с малой подвижностью носителей заряда при наличии электрического поля. //Тезисы докладов II Всесоюзной конференции; Физика и техника монодисперсных систем. Москве.

1991. ТС. 73-74.

5. Глазков В.В., Пылаева И.В., Смирнов П.В. Влияние електрического поля на процесс парообразования жидких дивлектриков. // Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной школы семинара молодых ученых в специалистов: Актуальные вопросы теплофизики в физической гидродинамики. Алушта. 1991. -С.34-35.

6* Синкевич O.A., Смирнов П.В. Частичные разряды в растущей газовой микрополости при пробое жидкого диэлектрика. // Тезисы докладов 4-ой Конференции по физике газового разряда. Казань.

1992. -С.109-110.

IJiuiliuaiio 1U4.11H Л-llei " " "

ш>*тч.пн Л- ГП/-

_Т»|.ал ЮО З.«а,. J/6

Типография МлН. KpatiiokatdpMciüUH, I;)