Распространение импульсного разряда над поверхностью воды и водных растворов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

4894896

}0

Ваулин Дмитрий Николаевич

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

01.04.08 - физика плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

2 9 СЕН 2011

Москва-2011.

4854896

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук, доцент Черников В. А. Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Чувашев С.Н. Кандидат физико-математических наук Артамонов В.И.

Ведущая организация:

ФГУП «Московский Радиотехнический Институт» Российской Академии Наук.

Защита состоится 06 октября 2011 г. в 16:30 на заседании диссертационного совета. Д 501.001.66. при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова Дом 1, строение 2, Физический Факультет, аудитория: СЗЩ-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан _2. сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.66. кандидат физико-математических наук

Карташов И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию условий и характера распространения импульсного разряда над поверхностью воды и водных растворов, что является актуальным и практически важным для разработки систем очистки воды, средств молниезащиты производственных объектов, а также для создания адекватных физических моделей исследуемого явления.

Актуальность темы

Одним из важнейших направлений изучения искрового разряда и его характеристик является исследование импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды и ее растворов. Необходимость таких исследований обусловлена разработкой устройств очистки воды и систем молниезащиты. В связи с этим в различных лабораториях выполнено большое количество работ по изучению искровых разрядов и в том числе импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды.

В настоящей работе экспериментально исследуются параметры и поведение разряда, распространяющегося над поверхностью воды в условиях, когда над ней существует паровоздушная прослойка. Многие характеристики такого разряда не были тщательно изучены ранее, что в значительной мере затрудняло создание соответствующих теоретических моделей. В связи с этим, тема настоящей диссертационной работы является достаточно актуальной.

Цель работы

В качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:

• Проведение детальных исследований динамики распространения разряда над поверхностью воды при использовании квазипрямоугольного импульса напряжения, длительность которого достаточна для формирования паровоздушной прослойки между разрядом и жидкостью.

• Изучение характера распространения импульсного разряда над поверхностью воды при наличии диэлектрических преград в условиях, когда между разрядом и жидкостью существует паровоздушная среда.

• Детальное изучение влияния сопротивления жидкости на скорость распространения над ней импульсного разряда.

Методы исследований

Результаты диссертации получены с использованием следующего диагностического оборудования:

• Оптические детекторы: фотоэлектронный умножитель, скоростная кинокамера, эмиссионный спектрометр.

• Методы определения электрических параметров разрядов: делитель напряжения, шунт. Многоканальный осциллограф.

Научная новизна

Все полученные результаты являются новыми, основная их часть получена автором самостоятельно. Научная новизна работы состоит в следующем:

• Применение генератора квазипрямоугольных импульсов позволило четко выделить три стадии развития разряда над поверхностью воды в условиях интенсивного парообразования.

• Впервые проведены исследования и выявлены основные особенности распространения разряда над поверхностью воды при наличии нескольких диэлектрических преград различных размеров.

• Впервые получены зависимости средней скорости распространения разряда над поверхностью жидкости от ее сопротивления при изменении последнего в диапазоне от 300 Ом до 300 кОм. Показано, что в условиях проведенных экспериментов наблюдается максимум скорости при значениях сопротивления жидкости равном четырем балластным сопротивлениям. Предложена приближенная эмпирическая формула для зависимости средней скорости распространения разряда от его начальных параметров, которая достаточно хорошо объясняет полученные экспериментальные результаты.

Личный вклад автора

Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. При непосредственном участии автора создавались экспериментальные установки и разрабатывались методики измерений, проводились экспериментальные исследования и обработка полученных результатов. На основании полученных данных автором сформулированы и обоснованы выводы диссертации.

Практическая ценность работы

Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы при проведении дальнейших научных экспериментальных и теоретических работ по исследованиям импульсного разряда, распространяющегося по поверхности различных жидкостей.

Они могуг быть использованы для оптимизации рабочих условий существующих устройств очистки воды и систем молниезащиты, а также для исследования возможности применения данного типа разряда, для реализации горения тонких пленок топлива, нанесенных на поверхность воды.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались: На конференции «Ломоносовские чтения» в МГУ, г. Москва, 2008,2009,2010 гг., на международной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2009" в МГУ, г. Москва 2009 г., на научно-практической конференция «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ» в МГУ, г. Москва 2009 г, на международной конференции А1АЛ Aerospace Sciences Meeting, США, Флорида, Орландо, 2009,2010,2011 гг., на международной конференции «Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС», Россия, 2009,2010,2011 гг.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в девяти работах, список которых приводится в конце автореферата. Шесть работ [2*-7*] опубликованы в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Первая глава носит вводный характер и содержит обзор литературы. Вторая, третья, четвертая и пятая главы оригинальны. В целом диссертация содержит 112 страниц, включая 83 рисунка, 3 таблицы и библиографию из 93 наименований.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы представленной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, приведены выносимые на защиту положения.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных импульсным разрядам, распространяющимся в различных средах. А так же импульсному разряду, распространяющемуся по поверхности воды.

Интерес к исследованиям в области физики импульсного разряда наблюдается на протяжении многих лет. На международных и российских конференциях, проходит обсуждение различных аспектов распространения импульсного разряда над поверхностью воды и других слабопроводящих жидкостей.

Изучается возможность использования такого типа разряда для очистки воды, при создании систем молниезащиты и инициировании различных химических реакций. Экспериментальные и теоретические работы по исследованию такого типа разрядов ведутся в научно-исследовательских и учебных институтах: Институт общей физики РАН, Московский Государственный университет, Всероссийский научный центр 'ТОЙ им. С. И. Вавилова", Московский физико-технический институт и др.

В конце первой главы приводится краткое обоснование целей настоящей работы и формулируется постановка задач необходимых исследований.

Во второй главе приводятся результаты экспериментов по установлению стадий развития импульсного разряда, распространяющегося над поверхностью воды и ее растворов, условия его распространения над жидкостью, а также методы определения скорости движения разряда. Эксперименты по исследованию стадий развития и условий возникновения поверхностного разряда были выполнены на установке, схема которой приведена на рис. 1.

Рис. I. Схема экспериментальной установки, б

Жидкость (1) наливалась в кювету из оргстекла (2) с внутренней полостью размером 30 см х 2 см х 12 см. Непосредственно над водой, на высоте Н = (3 - 8) мм располагался высоковольтный отрицательный электрод (катод) (3) в виде заостренного стержня. Плоский заземленный электрод (анод) (4) размещался непосредственно в жидкости у противоположной стенки кюветы. Источником питания служил импульсный модулятор (5), вырабатывающий квазипрямоугольные отрицательные импульсы длительностью т = (10 - 1000) мкс и с максимальной амплитудой 30 кВ. Для ограничения разрядного тока использовалось балластное сопротивление (6). Падение напряжения на разряде определялось при помощи омического делителя напряжения (7) (Л|, Лг) с коэффициентом деления 2000, а разрядный ток - при помощи шунта (Кш = 0,5 Ом). Сигналы (8) с делителя напряжения и шунта подавались на два входа цифрового запоминающего осциллографа.

В экспериментах расстояние между электродами по горизонтали могло изменяться в пределах Ь = (60 - 100) мм, начальное напряжение источника изменялось в пределах Ц) = (8 - 28) кВ, что позволяло при изменении балластного сопротивления в пределах = (1 - 8) кОм варьировать величину разрядного тока от 1 А до 28 А. Помимо регистрации осциллограмм тока и напряжения, проводилась киносъемка разряда при помощи кинокамеры, расположенной практически над юоветой с водой. Принципиальное отличие данной установки от использовавшейся в [1] заключается в отсутствии подводной части электрода противоположного острийному.

Эксперименты показали, что импульсный разряд над поверхностью воды имеет

сложную временную эволюцию, которая состоит из ряда отличающихся стадий. В

работе [2] их сложно выделить четко из-за наличия колебаний тока. Рассмотрим процесс

перехода режима разряда от одной стадии к другой на примере типичной осциллограммы

тока и напряжения, приведенной на рис. 2. Из приведенной осциллограммы видно, что,

начиная с момента подачи напряжения на электроды 1о и до времени ^ разряда не

происходит. Интервал времени, равный Д[ — 11 - Ь соответствует времени запаздывания

разряда хорошо известному из многочисленных экспериментов по исследованию

импульсного пробоя газов. Величина этого временного интервала определяется, главным

образом, напряжением между электродами, она резко уменьшается с ростом начального

напряжения, что подтверждается результатами настоящих экспериментов. Затем в момент

времени и происходит пробой межэлеетродного промежутка и возникает линейный

искровой плазменный канал, который развивается практически вдоль перпендикуляра,

проведенного из верхнего электрода на поверхность жидкости. Процесс возникновения

7

искрового разряда подробно описан в [3] и сопровождается падением напряжения между электродами и появлением разрядного тока.

Рис. 2. Осциллограммы тока (1) и падения напряжения на разряде (2).

Ь = 34 мм, Н = 7,1 мм, Цо = 13,3 кВ, развертка 25 мкс/дел, чувствительность по току 10 А/дел, по напряжению 10 кВ/дел, длительность импульса разряда 100 мкс.

При типичном искровом пробое газа после формирования разрядного канала, напряжение на межэлектродном промежутке и величина разрядного тока остаются постоянными независимо от длительности импульса.

В случае же пробоя над поверхностью воды, после момента ^ напряжение на разряде не остается постоянным, а медленно уменьшается, в это же время разрядный ток растет, та связано с распространением разряда. Такие изменения тока и напряжения продолжаются до момента 12, когда разряд достигает анода и вновь происходит резкое уменьшение напряжения на разряде и соответствующий рост разрядного тока. После этого напряжение на разряде и ток остаются постоянными до конца импульса момента 1з.

Были получены разряды с длиной канала до 20 см, при 11о = 28 кВ Типичные интегральные фотографии разряда при Ь = 20 см представлены на рис. 3. Видно, что при различных длительностях импульса т, разряд может быть незавершенным (рис. 3 а,б,в) либо завершенным (рис. 3 г).

На фотографиях, изображенных на рис. 3, виден как сам канал разряда (верхняя светящаяся полоса), так и его отражение в воде (нижняя светящаяся полоса). Существование темного промежутка между разрядом и его отражением позволяет сделать

вывод о том, что разряд распространяется на некотором расстоянии Ь над поверхностью воды.

Рис. 3. Интегральные фотографии незавершенных (а-в) и завершенного (г) разрядов над водой. L = 20 см, Н = 5 мм, Uo = 28 кВ; длительность импульса: (а) - 50 мкс, (б) - 250 мкс, (в) - 500 мкс, (г) - 750 мкс.

Распространение разряда именно над поверхностью воды связано с наличием над водой прослойки пара, который образуется при испарении воды током разряда Как показано в работе [4] наличие водяного пара ухудшает условия развития разряда по сравнению с воздухом в результате больших потерь электронов на прилипание. В этом случае разряд стремится развиваться в среде с меньшими потерями, т.е. в воздухе над прослойкой пара, на некотором расстоянии от воды. Следует отметить, что в большинстве работ разряд распространялся по поверхности воды, касаясь ее, т.к. влияние испарения воды при малых длительностях разряда незначительно.

Были проведены эксперименты по определению условий, выполнение которых необходимо для распространения разряда над водой и водными растворами.

Первым необходимым условием распространения разряда над поверхностью жидкости является наличие первоначального линейного пробоя воздушного промежутка между катодом и поверхностью жидкости. В случае, когда катод (как и анод) был погружен в жидкость, линейного пробоя не происходило, и никакого распространения разряда над жидкостью не наблюдалось.

Согласно выводам, приведенным в монографии Э.М. Базеляна и Ю.П. Райзера [5],

одним из условий (в нашем случае вторым), необходимым для распространения разряда

9

является наличие падающей вольтамперной характеристики во время его движения над водой. В настоящей работе вольтамперные характеристики разряда определялись в большом числе экспериментов, которые проводились при различных начальных условиях (тип жидкости, начальное напряжение, величина балластного сопротивления, длительность импульса). И во всех случаях при распространении разряда над жидкостью его вольтамперная характеристика была падающей.

Еще одним необходимым условием распространения разряда над поверхностью жидкости является наличие электрического контакта меду головной частью разряда и водой. Необходимость выполнения этого условия подтверждается следующим простым экспериментом. На пути распространения разряда (перпендикулярно к его продольной оси) на некотором расстоянии от катода над поверхностью воды размещалась тонкая (высотой ~ 0,5 мм) диэлектрическая преграда шириной 10 мм. Длина преграды была больше размеров кюветы с водой, что позволяло полностью перекрыть поверхность воды. Преграда помещалась так, что нижняя ее часть смачивалась водой, а верхняя находилась в воздухе. Помимо регистрации осциллограмм тока и напряжения, проводилась киносъемка разряда при помощи фотоаппарата, расположенного практически над кюветой с водой.

Типичные результаты, полученные в таких экспериментах, приведены на рис. 4. Как следует из представленных фотографий, в отсутствие диэлектрической преграды разряд свободно распространяется от катода к аноду, расположенному от него на расстоянии 6 см (рис. 4 а). При наличии диэлектрической преграды разряд распространяется только в той области, где существует его электрический контакт с поверхностью жидкости, т.е. до преграды. При этом полная длина разряда тем меньше, чем ближе к катоду размещается диэлектрическая преграда (рис. 4 б и в). Из этих экспериментов следует, что нарушение электрического контакта головной частя разряда с водой приводит к невозможности его дальнейшего распространения. Таким образом, наличие электрического контакта между головной частью разряда и жидкостью является одним из условий его распространения над ее поверхностью.

Основной характеристикой разряда, распространяющегося над поверхностью жидкости, является скорость движения головки лидера, которая определяется непосредственно механизмом разпития разряда. Таким образом, измерение скорости

а

б

в

Рис. 4. Интегральные фотографии разряда (вид сверху): а - разряд без преграды, б и в - преграда размещена, соответственно, на расстоянии 40мм и 30мм от катода I = 60 мм, т =100 мкс, Н = 5 мм, и0 = 16 кВ, = 1 кОм.

движения разряда в зависимости от различных начальных параметров, является одним из необходимых условий для построения соответствующих физических моделей его распространения. Существующие методы сверхскоростной съемки достаточно дорогостоящи и, кроме того, требуют большой интенсивности свечения разряда для его уверенной регистрации. В описываемой работе рассматриваются относительно простые методы, позволяющие определить скорость распространения разряда на основании несложных экспериментальных измерений.

Самый простой метод заключается в определении средней скорости как отношения между длиной разрядного промежутка Ь и временем распространения разряда &2 = Ь - Ь'-V = Ь / &2- При этом время распространения определяется экспериментально из осциллограмм тока и напряжения. Основной недостаток этого метода заключается в том, что с его помощью невозможно определить скорость в различные моменты времени движения разряда.

Во втором методе для определения скорости использовались данные киносъемки серии разрядов при различных длительностях импульса. Каждый кадр представлял собой интегральную по времени фотографию одного разряда при фиксированной длительности импульса. На основании таких кадров определялось максимальное расстояние, на которое

успевает распространиться разряд за время импульса, затем по этим данным строилась зависимость длины разряда от длительности импульса (1=Г(т)), и путем ее дифференцирования, определялась скорость движения разряда в зависимости от времени прошедшего с начала его распространения.

Другим методом определения скорости разряда являлось использование коллимированного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), который устанавливался перпендикулярно оси разряда на различных расстояниях (х) от катода. Сигнал с ФЭУ поступал на тот же осциллограф, на который поступали сигналы с делителя напряжения и шунта, т.е. сигналы пропорциональные напряжению и току. Перемещая фотоумножитель параллельно оси разряда и измеряя время запаздывания прихода сигнала с ФЭУ относительно начала импульса разряда, т.е. время, за которое разряд достигал точки расположения ФЭУ, можно построить зависимость x(t) (фактически измерялась зависимость t(x)). Дифференцированием этой зависимости можно получить значения V(t).

Последний метод определения скорости распространения разряда основан на измерении суммарного сопротивления разрядного промежутка, которое определялось как отношение измеренных значений напряжения и тока. В течение движения разряда от катода к аноду его собственное сопротивление увеличивается, а сопротивление оставшейся части воды уменьшается. Так как в любой момент времени сопротивление каждой из этих частей пропорционально линейной длине участка, на котором оно определяется, то оказывается, что производная полного измеряемого сопротивления по времени пропорциональна скорости разряда и определяется по следующей формуле:

где Рр/Эр и рж/Эж - сопротивления единицы длины разряда и жидкости соответственно. Они определяются в предположении, что в начале весь ток течет по воде, поэтому начальное сопротивление, деленное на межэлектродное расстояние, позволяет найти величину р*^ а сопротивление в конце движения разряда - это сопротивление только разрядного канала - аналогично определяется величина Рр/8р.

На рис. 5 показано сравнение значений скоростей, полученных различными методами при одних и тех же условиях создания разряда. Как следует из представленных зависимостей, значения скорости разряда, определенные различными методами качественно совпадают. Отметим, что величина средней скорости, определенная различными методами совпадает в пределах статистической ошибки измерений ~ 20%.

2000

1500

1000

500

V [м/с]

♦

А ♦

V —1—1—1—г— ♦ ■ «А» 1 А. А ■

50

100

150

200

250 . 300

X [МКС]

Рис. 5. Скорость распространения разряда как функция времени: А - метод с использованием ФЭУ, ■ - определение скорости по полному сопротивлению, ♦ - метод киносъемки при различных длительностях импульса. ТЛо = 22 кВ, Ь = 10 см, 11б = 1 кОм.

Стоит отметить, что в дальнейшем в работе говорится о средней скоросги распространения разряда.

В третьей главе диссертации приведены результаты определения таких параметров плазмы разряда, распространяющегося по поверхности воды, как концентрация электронов и температура возбуждения некоторых уровней.

Для исследования параметров плазмы разряда была собрана установка принципиальная схема, шторой приведена на рис. 6. (Ее электрическая схема разъяснена во втором абзаце описания второй главы).

Рис. 6. Схема экспериментальной установки (вид сверху). 13

Излучение разряда, при помощи промежуточной линзы (9) фокусировалось на вход световода (10), соединенного с регистрирующим спектрографом типа АуаЗрес (11), данные с которого передавались на персональный компьютер (12). Входная часть световода размещалась на юстировочной системе (13), позволяющей при ее перемещении (14) параллельно оси разряда регистрировать излучение из различных его участков.

При использовании в качестве катода медного заостренного стержня спектр излучения разряда, регистрируемый из катодной области, оказывается довольно простым (рис. 7) и содержит, в основном, спектральные линии меди, линии Н„ и Нр водорода и молекулярные полосы СЫ.

Си Си < Са

СЛГ

У' "У. А

Нр

Л 1

м,

Си!

а,

Си

О ... ..

350

400

450

500

550

600650 длнна волны в им

Рис. 7. Спектр разряда в области медного катода. (При данной экспозиции выбранной для четкой регистрации линий На и Нр некоторые линии меди являются пересвеченными).

Как уже отмечалось ранее, последней стадией распространения разряда над

поверхностью воды является его завершенная форма, когда разряд достигает анода, и

величины разрядного тока и напряжения на разряде остаются постоянными до окончания

импульса - стадия стабильного сильноточного разряда. Именно в этой стадии

интенсивность излучения разряда максимальна. Т. к. для регистрации спектров

использовался режим накопления, то получаемые из спектральных измерений величины

являются усредненными по времени и, в данном случае, они соответствуют именно

стационарной стадии завершенного разряда

Для определения темперагуры возбуждения в разряде над поверхностью воды по

относительным интенсивностям спектральных линий использовался спектр излучения

14

меди. Были выбраны четыре пары спектральных линий. Первая группа, в которой в качестве второй линии использовалась линия с длинной волны X = 510.5 нм: (515.3-510.5) нм, (521.8-510.5) нм, и вторая группа, в которой в качестве второй линии использовалась линия с длинной волны 578,2 нм; (515.3-578.2) нм, (521.8-578.2) нм. На рис. 8 приведены зависимости от тока разряда температуры возбуждения, расчитанные по всем четырем парам выбранных спектральных линий

Концентрация электронов в плазме завершенного импульсного разряда над поверхностью воды определялась по штарковским профилям спектральных линий водорода. В спектрах излучения разряда, полученных в любых точках междуэлектродного расстояния, всегда присутствуют водородные линии Ни и Нр.

Рис. 8. Зависимость температуры возбуждения от тока разряда. Расстояние между электродами Ь = 5 см, длительность импульса т = 100 мкс. Первая группа линий: ■-(521.8-510.5) нм, Ж-(515.3-510.5) нм. Вторая группа линий: ♦- (521.8-578.2) нм, • -(515.3-578.2) нм.

Однако экспериментально измеренные уширения спектральной линии Н„ водорода оказались сравнимыми с полушириной аппаратной функции спектральной системы, что могло привести к значительным экспериментальным ошибкам. Поэтому концентрация электронов определялась по уширению спектральной линии Нр водорода. Спектральная линия водорода Нр является хорошим стандартом плотности при концентрациях электронов, лежащих в пределах от 1015 см"3 до 3-Ю17 см"3. На рис. 9 приведена

зависимость концентрации электронов от величины разрядного тока в условиях, когда спектр излучения регистрировался из области, расположенной около катода.

L = 6 см, т= 100 мкс

Из данного рисунка видно, что с ростом разрядного тока концентрация электронов в области катода возрастает.

В четвертой главе диссертации приведены результаты исследований влияния диэлектрических преград на характер распространения разряда. Как уже отмечалось, скорость распространения разряда является одной из самых важных его характеристик. В результате многочисленных экспериментов были получены скорости распространения разряда, величины которых лежат в диапазоне значений от V ~ 150 м/с до V ~ 9000 м/с. Большие скорости движения разряда - (1,5-5) км/с связаны с ионизационными процессами [6]. Низкие же скорости распространения разряда (150 м/с - 1000 м/с), возможно определяются газодинамическими эффектами. Рассмотрение распространения разряда в результате газодинамических процессов выполнено в работе [7].

Авторы [7] рассматривают этот процесс следующим образом. Разрядный канал состоит из двух частей - горизонтальной, удлинение которой и приводит к его распространению и вертикальной, обеспечивающей контакт с водой. В некоторый момент

времени вертикальная часть разрядного канала находится в области (1) (рис. 10). Согласно предложенной модели, развитие разряда осуществляется через ряд промежуточных этапов определяемых тем, что в канале разряда происходит испарение воды и, при достижении определенной плотности паров в канале сопротивление этого участка резко возрастает. В результате происходит вторичный микропробой в воздушной среде соседнего участка (2), расположенного ближе к аноду (4). Такой цикл многократно повторяется и в результате разряд распространяется от катода (3) к аноду.

Рис. 10. Распространение канала разряда.

1 - область занятая каналом разряда сначала, 2 - область которую занимает разряд после перемещения по направлению к аноду, 3 - катод, 4 -анод.

Скорости распространения разряда, вычисленные на основании модели предложенной в [7] хорошо согласуются с нижним диапазоном значений экспериментально полученных скоростей.

Согласно предложенной модели распространение разряда является дискретным. Для проверки этого вывода был проведен цикл экспериментов, в которых на пути движения разряда размещались диэлектрические преграды.

Схема расположения преград на пути распространения разряда представлена на рис. И. Преграды были сделаны из диэлектрической лески (проволочки) и покрыты лаком, чтобы избежать их смачивания водой. Диаметр преград изменялся от 0,3 мм до 2 мм, расстояние между преградами было кратно 1 см. Длины проволочек были больше поперечных размеров кюветы с водой, что позволяло полностью перекрыть поверхность воды. Преграды размещались, таким образом, при котором их нижние части смачивались водой, а верхние находились в воздухе. Эксперименты проводились при различных внешних параметрах, таких как начальное напряжение, величина балластного сопротивления, диаметр проволоки, число преград и их положение относительно катода.

В отличие от работы [8] использовалось различное количество преград, расположенных на поверхности воды. Дня регистрации процесса распространения разряда фиксировапись осциллограммы разрядного тока и падения напряжения. На рис. 12 а представлены типичные осциллограммы тока разряда (1) и падения напряжения на нем (2), а на рис. 12 б интегральная фотография разряда для случая одной преграды.

катод

анод

преграды

Рис. 11. Схема расположения преград.

На осциллограммах (рис. 12 а) виден скачок тока и падение напряжения в момент достижения разрядом преграды. На интегральной фотографии разряда (рис. 12 б) видно, как разряд огибает преграду. Из результатов, представленных на рис. 12, можно сделать вывод, что распространение разряда происходит скачкообразно, т.е. дискретно, что подтверждает модель, предложенную в [7].

Рис 12. а) Осциллограмма тока (1) и напряжения (2) в разряде, Ь = 60 мм, х =200 мкс, Н = 5 мм, и0 = 12,9 кВ, = 1 кОм, х = 2,5 см, с1 = 2 мм. Цена большого деления по горизонтали 50мкс/дел, а по вертикали: для тока и напряжения 10 А/дел и 10 кВ/дел соответственно, б) Фотография разряда.

Были проведены эксперименты по определению влияния преград на минимальное напряжение, необходимое для реализации завершенного разряда. На рис. 13 представлены типичные зависимости такого минимального значения напряжения от количества преград, находящихся на пути распространения разряда. Преграды размещались равномерно: для графика (1) - 1-ая на расстоянии 10 мм от катода, а каждая последующая на расстоянии, кратном 10 мм, а для графика (2) - 1-ая на расстоянии 10 мм от анода, а каждая последующая на расстоянии, таюке кратном 10 мм.

Рис. 13. Минимальное значение начального напряжения, необходимого для распространения разряда, в зависимости от количества преград, 1 - преграды размещались от катода к аноду, 2 - от анода к катоду, 3 - значение минимального напряжения для воды без преград. Ь = 60 мм, т =500 мкс, Н = 5 мм, 1*6=1 кОм.

Из представленных зависимостей следует, что увеличение числа преград приводит к соответствующему росту начального напряжения, необходимого для реализации завершенного разряда между электродами. Отметим, что, когда увеличение числа преград начинается от катода (зависимость 1) рост минимального напряжения относительно слабый. В этом случае можно сказать, что напряжение остается практически постоянным. В тоже время, когда число преград увеличивается от анода (зависимость 2), наблюдается плавный рост минимального напряжения от значения, полученного для воды без преград (3), к величине, в пределах ошибки совпадающей со значением, полученным в первом случае. Таким образом, основное влияние на распространение разряда оказывает

преграда, ближайшая к катоду. Полученные результаты могут быть объяснены на основании газодинамической модели предложенной в [7].

В пятой главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования зависимости скорости распространения разряда от сопротивления водного раствора.

Для того чтобы получить зависимость скорости распространения разряда по поверхности жидкости от ее сопротивления, меняющегося в достаточно широком диапазоне (от 300 Ом до 300 кОм), в качестве жидкости использовался соляной раствор определенной концентрации в дистиллированной воде. На рис. 14 приведены типичные зависимости времени распространения разряда и сопротивления жидкости от концентрации соли в воде при различных значениях балластного сопротивления. Как следует из представленных зависимостей, с увеличением концентрации соляного раствора его сопротивление падает, а время распространения разряда, сначала уменьшается до некоторого минимума, а затем растет. Таким образом, зависимость времени второй стадии (время движения разряда от катода к аноду) от сопротивления жидкости имеет минимум.

Рис. 14. Зависимости от концентрации соли: а - времени второй стадии разряда, б - сопротивления жидкости. Ь=5см,*-Кб=1 кОм, и0 = 17 кВ, ■ - Я6 = 2 кОм, Ж - Яе = 4 кОм, и0 = 20 кВ.

На рис. 15 а приведены зависимости средней скорости движения разряда от сопротивления жидкости (Яж) при различных значениях балластного сопротивления (К^), а на рис. 15 б приведены аналогичные зависимости от отношения сопротивления жидкости к сопротивлению балласта (!?„ / И®).

Как видно из рис. 15 а, зависимость скорости распространения разряда от сопротивления жидкости имеет максимум. Причем этот максимум соответствует тем

20

большему сопротивлению жидкости, чем больше сопротивление балласта. В тоже время из рис. 15 б следует, что скорость распространения разряда достигает максимального значения при одном и том же значении отношения сопротивления жидкости к сопротивлению балласта, а именно при / Яб = 4, независимо от величины последнего.

V [гм/с]

• • •

■ •

□ ) 41 « □ т ч.

• ° •!*« о I 5° I* V 1 * 4 * П ,. » . ...........................

10 100 Яж1«Ом]ЮОО

» « *

* I •

я □ " » ^ 1 Т 0„ *

4 □ » 1* 1 т а

о.1 1 ю 1°°кж/1!.6™<1<1

Рис. 15. Зависимости скорости распространения разряда от: а - сопротивлешш жидкости, б - отношения сопротивления жидкости к сопротивлению балласта. Ь = 5см,*-11б=1 кОм,и0=17кВ, 0-К6 = 2к0м,и0 = 20 кВ, А-1^ = 4кОм,

ио = 20кВ.

Сравнение результатов по определению скорости разряда, полученных для растворов поваренной соли в дистиллированной и технической воде и растворов спирта в технической воде, приведены на рис. 16 а. Достаточно хорошее совпадение результатов, полученных в различных экспериментах, еще раз подтверждает вывод о том, что скорость распространения разряда при определенных значениях Нж / Кб достигает максимального значения.

Следует отметить, что правые ветви зависимостей представленных на рис. 15, соответствующие большим сопротивлениям жидкости (Яж > 4 ■ Кб) качественно совпадают с результатами, которые следуют как из эмпирической формулы V ~ 1к [9], так и из газодинамической модели [7]. В тоже время, зависимость скорости распространения разряда от сопротивления жидкости при Яж < 4 • Кв, когда наблюдается уменьшение скорости с уменьшением сопротивления, в настоящий момент не может быть объяснено в рамках существующих моделей.

На основании естественных физических рассмотрений можно предположить, что основными параметрами, определяющими скорость распространения разряда, являются величина разрядного тока, и средняя напряженность электрического поля в головной

21

части движущегося разряда, поэтому необходимо рассмотреть зависимости этих параметров от сопротивления жидкости. На рис. 16 б представлены зависимости начальных значений тока разряда (1„) и средней начальной напряженности электрического поля (Е„) от отношения / И«. При этом начальный ток разряда определялся по соответствующим осциллограммам, а значение средней начальной напряженности оценивалось из следующего соотношения Ен = и„ / Ь, где и„ - начальное падение напряжения на разряде, определяемое из осциллограмм, а Ь - расстояние между электродами.

Из рис. 16 6 следует, что при малых значениях Як / Л« величина начального тока падает, а средняя напряженность электрического поля растет. При этом согласно экспериментам скорость движения разряда увеличивается. Из этого можно сделать вывод, что при малых значениях / Кб скорость распространения разряда определяется напряженностью электрического поля.

Рис. 16. Зависимости от отношения сопротивления жидкости к сопротивлению балласта, а - скорости распространения разряда: растворы соли в • - технической и □ - дистиллированной воде, Ж- спирта в технической воде: Яе = 1 кОм, Цо = 20 кВ, Ь = 5 см, б - ■ - начального тока разряда и А - средней напряженности электрического поля: Ив = 2 кОм, и0 = 20 кВ, Ь = 5 см.

При больших же значениях Кж / Иб средняя напряженность электрического поля остается практически постоянной (в пределах средней статистической ошибки), а величина тока разряда падет. Скорость же распространения разряда тоже падает. Следовательно, можно сделать вывод, что при больших значениях Кж / Ке скорость распространения разряда определяется разрядным током.

Таким образом, на основании полученных результатов можно предположите, что средняя скорость распространения разряда пропорциональна произведению начальных значений тока разряда и средней напряженности электрического поля V ~ 1„ -Е„. Однако, последнее выражение пропорционально отношению мощности, выделяемой в разрядном промежутке, к его длине, и его максимальное значение достигается при R« = Rc; в то время как в экспериментах максимум скорости наблюдается при R* = 4 • R«.

В этом случае можно предположи, что величина скорости определяется следующим соотношением:

V = С • I„k E„m,

где С - коэффициент пропорциональности, а показатели степени к и ш могут принимать некоторые значения. Ток разряда равен: I„ = Uo/ (R*+ R«), где Uo - начальное напряжение в импульсе, а средняя начальная напряженность электрического поля: Е„ = UK / L = = 1н ■ R*/ L = Uo ■ R* /((R*+ Кб)' L). Тогда для определения скорости получаем следующее соотношение:

V = С • Uok+™ • RAm / ((R*+ Ro)l+m' Lm), (1)

Для определения показателя степени к воспользуемся аппроксимацией выражения (1), полученной при условии R* » R«. В этом случае получаем, что скорость разряда определяется соотношением:

V = C(U0k+m/Lra)-R»"k,

Следовательно, коэффициент к можно определить из зависимости V от полученной экспериментально при условии R* » Rg. Вид такой зависимость показан на рис. 17.

Уравнение кривой, аппроксимирующей данную зависимость имеет вид: V = 3 • 104 ■ R*"0'8, (где скорость выражена в м/с, а сопротивление в кОм) откуда можно получить, что к = 0,8 и скорость распространения разряда V ~ I0,8. Отметим, что в работах [9, 10] приводятся значения показателя степени k ~ (0,5 - 0,7), что близко к полученной величине.

Величину коэффициента т можно найти из условия максимума функции V(R*), которое легко получается обычным образом путем дифференцирования выражения (1).

В итоге получаем:

R*=(m/k)-R6,

таким образом, максимум скорости, определяемой выражением (1), соответствует условию R»= (m / к) ■ R«. В то же время, согласно экспериментальным данным, максимум

жидкости при Яж» Яб. Яб = 1 кОм, Чо = 17 кВ, Ь = 5 см

скорости разряда регистрируется при = 4 ■ Ив. Из этих двух условий следует, что ш / к - 4, или т = 4 • к, т.е. при к = 0,8 коэффициент т = 3,2.

Таким образом, в выражении (1) остается неопределенной константа С. Для ее определения можно воспользоваться экспериментальными результатами, полученными для сопротивления балласта Иб = 1 кОм. Подставляя в формулу (1) известные значения скорости распространения разряда, начального напряжения в импульсе, расстояния между электродами, сопротивление жидкости, а также известные значения коэффициентов тик, можно определить значения константы С. Полученное таким методом среднее значение искомой постоянной, равно:

[кОиад • сяаг • я] кВ4 'С ]

при средней статистической относительной ошибке ± 20%.

В результате, получаем следующую полуэмпирическую формулу, связывающую среднюю скоростью распространения разряда с сопротивлением жидкости:

V = 45 • и„4 ■ Яжзд / №*+ ад4 • Ь3,2). (2),

(где скорость выражена в м/с, напряжение в кВ, сопротивление в кОм, а расстояние между электродами в см).

Сравнение экспериментальных зависимостей V(R„), полученных при различных значениях балластных сопротивлений и зависимости VCR*), полученной по данной формуле представлено на рис. 18, из которого следует, что наблюдается удовлетворительное (в пределах ошибок измерений) соответствие между экспериментальными и расчетными величинами.

Рис. 18. Зависимости средней скорости распространения разряда от сопротивления жидкости. Uo = 20 кВ, L = 5 см, ■ - экспериментальные значения, □ - рассчитанные по (2), a- R5 = 2 кОм, б - Re = 4 кОм.

Полученный результат свидетельствует о возможности использования предложенной полуэмпирической формулы для объяснения экспериментальных результатов. Таким образом, и экспериментальные и расчетные данные показывают, что при условии R* < Re скорость распространения разряда над поверхностью жидкости падает с ростом разрядного тока. Следует отметить, что при Re = 0 скорость разряда будет ограничена, т. к. в этом случае роль балластного сопротивления будут выполнять сопротивления источника питания либо других элементов электрической схемы.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации: 1. Использование квазипрямоуголыюго импульса напряжения с длительностью до 1 мс позволило, во-первых, четко определить три стадии развития разряда над поверхностью воды и, во-вторых, провести детальное исследование характера разряда при наличии между ним и водой паровоздушной среды. Предложен и экспериментально обоснован ряд методов определения скорости распространения разряда Показано, что скорость движения разряда между электродами может принимать значения от 150 м/с до 9000 м/с. Экспериментально доказаны условия, выполнение которых необходимо для распространения разряда.

2. На основании спектральных измерений, определена концентрация электронов в завершенном и незавершенном разрядах. Показано, что в условиях данных экспериментов максимальная концентрация электронов достигает величины ~ 3 • 10ls см"3 в завершенном разряде, а в незавершенном ~ 3 • 1015 см"3.

3. Детально исследовано влияние на характер развития разряда диэлектрических преград, размещенных на поверхности жидкости, перпендикулярно оси движения разряда. Показано, что механизм распространения разряда может носить дискретный характер, причем шаг дискретности будет тем крупнее, чем больше падение напряжения на разряде.

4. Впервые проведено детальное исследование влияния сопротивления жидкости на среднюю скорость распространения разряда над ее поверхностью. Показано, что в условиях проведенных экспериментов зависимость скорости движения разряда от сопротивления жидкости носит немонотонный характер, а именно при увеличении сопротивления скорость вначале растет, а затем падает, достигая максимума при сопротивлении жидкости R* = 4 • R& где R« балластное сопротивление, ограничивающее величину тока разряда в цепи.

5. На основании полученных результатов можно предположить, что в области больших сопротивлений жидкости (для экспериментальных условий данной работы R»t £ 4 • Re) изменение скорости обусловлено разрядным током, а в области небольших сопротивлений (Яж < 4 ■ Re) - средней напряженностью электрического поля между электродами. Предложена приближенная эмпирическая формула для зависимости скорости распространения разряда от его начальных параметров, которая достаточно хорошо объясняет полученные экспериментальные данные.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Белошеев В.П. Исследование лидера искрового разряда по поверхности воды. //ЖТФ. 1998. Т.68. Вып.7. С.44.

2. A. MAnpilov, £. М. Barkhudarov, V. А. Кор 'ev, I. A. Kossyi High-voltage pulsed discharge along the water surface. Electric and spectral characteristics. // 28ICPIG, July 15-20,2007, Topic number: 10, p. 1030, Prague, Czech Republic.

3. Белошеев В.П. Самоорганизация структуры лидерного разряда по поверхности воды. // ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.7. С.109.

4. Александров ПЛ., Базеля» Э.М., Новицкий Д.А. Влияние влажности на свойства длинных стримеров в воздухе. // Письма в ЖТФ, 1998. Т 24. №9. С.86.

5. Базелян Э.М., Райзер ЮЛ. Искровой разряд. // М.: Изд-во МФТИ. 1997.

6. Белошеев В.П. Особенности формирования искрового разряда по поверхности воды. // ЖТФ. 1996. Т.66. Вып.8. С.50.

7. Г.П.Кузъмин, И.М.Минаев, А.А.Рухадзе, Газодинамическая форма скользящего разряда. // Физика плазмы. Т 36. №12. С. 1149-1150. 2010.

8. Шмелев В.М., Марголин Л.Д. Распространение электрического разряда по поверхности вода и полупроводника. //ТВТ. 2003. Т.41. №4. С.831.

9. БазелянЭ.М. Искровой разряд в грунте. // Электричество. 1991. №11. С.27.

10. Базелян Э.М., Хлапов A.B.. ШкилевА.В. Развитие импульсного разряда вдоль поверхностей воды и грунта. // Электричество. 1992. №9. С.19.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1*. Alehandrov A.F., Bychkov V.L., Chernikov V.A., Ershov A.P., Vaitlin D.N. Pulsed discharge over a surface of a liquid. // AIAA-2009-15S3.47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5-8 January 2009. USA, Florida, Orlando.

2*. Александров А. Ф., Ваулин Д. Я, Ершов А. П., Черников В. А. Стадии развития скользящего по поверхности воды электрического разряда. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. № 1, с. 1.

3*. Ваулин Д. Я, Квас А. А.. Черников В. А. Определение скорости электрического разряда скользящего над поверхностью воды. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2010. № 3, с. 56.

4'. Александров А. Ф„ Ваулин Д. Я, Черников В. А. Воспламенение пленок углеводородов при помощи импульсного разряда, распространяющегося над поверхностью воды. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2010. № 3, с. 62.

5". Ваулин Д. Я, Каменщиков С. А., Черников В. А. Распространение импульсного разряда над жидкостями с различным сопротивлением. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2011. К» 2, с. 88.

6*. Александров А. Ф., Ваулин Д. Я, Квас А. А., Черников В. А. Влияние сопротивления жидкости на скорость распространения над ней импульсного разряда. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2011. ЛЬ 2, с. 92.

7*. Ваулин Д. Я, Ершов А. П., Каменщиков С. А., Черников В. А. Высоковольтный импульсный разряд, распространяющийся над поверхностью воды. // ТВТ, 2011, т. 49, К» 3, с. 365. 8*. Alehandrov A.!-'.. Bychkov D.V., Bychkov V.L., Chernikov V.A., Kamemhikov S.A., Kostiuk A.A., Vaulin D.N., Volkov S.A. Discharges over a surface of liquid hydrocarbons. // AIAA -2010-1592. 48th AIAA Aerospace Science Meeting. 4-7 January, 2010, USA, Florida, Orlando.

9*. Aleksandrov A.F., Bychkov V.L. Bychkov O.K., Chernikov V.A., Kostiuk A.A., Vaulin D.N., Volkov S.A. AIAA-2011-1331. Discharges over flammable and dielectric liquids. // 48* AIAA Aerospace Science Meeting, 4-7 January, 2010, USA, Florida, Orlando.

27

Подписано в печать: 01

.09.2011

Заказ № 5843 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,5 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§1.1 Общее описание искровых разрядов.

§ 1.2 Импульсные разряды в воде.

§ 1.3 Импульсные разряды над поверхностью мокрого грунта.

§1.4 Импульсные разряды над поверхностью жидкости.

§1.5 Влияние проводимости и геометрии среды, над которой 24 распространяется разряд.

§ 1.6 Определение некоторых параметров разрядов над жидкостями.

§ 1.6.1 Концентрация и температура электронов.

§ 1.6.2 Скорость распространения разряда.

ГЛАВА 2. СТАДИИ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 35 СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗРЯДА.

§2.1 Экспериментальная установка и методика измерений.

§2.2 Стадии развития разряда.

§2.3 Условия распространения импульсного разряда над поверхностью 41 жидкости.

§2.4 Экспериментальная установка для определения скорости разряда.

§2.5 Метод киносъемки.

§2.6 Метод использования фотоумножителя.

§2.7 Метод использования эквивалентной схемы разряда.

§2.8 Сравнение результатов полученных разными методами.

§2.9 Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ РАЗРЯДА

§3.1 Экспериментальная установка для определения параметров плазмы 52 разряда.

§3.2 Методика спектральных, измерений и определения параметров плазмы 52 разряда.

§3.3 Определение интегрального по спектру свечения разряда над 56 поверхностью воды.

§3.4 Общие характеристики спектра разряда над поверхностью воды.

§3.5 Определение температуры возбуждения и концентрации электронов в 62 плазме завершенного разряда.

§3.6 Определение температуры возбуждения и концентрации электронов в 67 плазме незавершенного разряда.

§3.7 Сравнение полученных экспериментально параметров с теоретическими 69 оценками.

§3.8 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕГРАД НА 72 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАЗРЯДА

§4.1 Зависимость продолжительности второй стадии развития разряда от 72 различных параметров.

§4.2 Объяснение распространения разряда на основе газодинамической 73 модели.

§4.3 Схема расположения диэлектрических преград

§4.4 Возможность преодоления преграды.

§4.5 Влияние преград на характеристики разряда.

§4.6 Распространение импульсного разряда над твердой поверхностью.

§4.7 Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ 86 РАСПРОСТАНЕНИЯ РАЗРЯДА ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА.

§5.1 Определение времени распространения разряда при нагреве воды.

§5.2 Зависимость скорости от сопротивления соляных и спиртовых 88 растворов.

§5.3 Зависимость скорости от сопротивления соляных растворов в 92 дистиллированной воде.

§5.4 Выводы к главе 5.

Актуальность темы.

Одним из важнейших направлений изучения искрового разряда и его характеристик является исследование импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды и ее растворов. Необходимость таких исследований обусловлена разработкой устройств очистки воды и систем молниезащиты. В связи с этим в различных лабораториях выполнено большое количество работ по изучению искровых разрядов и в том числе импульсного разряда, распространяющегося по поверхности воды.

В настоящей работе экспериментально исследуются параметры и поведение разряда, распространяющегося над поверхностью воды в условиях, когда над ней существует паровоздушная прослойка. Многие характеристики такого разряда не были тщательно изучены ранее, что в значительной мере затрудняло создание соответствующих теоретических моделей. В связи с этим, тема настоящей диссертационной работы является достаточно актуальной.

Цель работы.

В качестве основных целей работы необходимо выделить следующие:

• Проведение детальных исследований динамики распространения разряда над поверхностью воды при использовании квазипрямоугольного импульса напряжения, длительность которого достаточна для формирования паровоздушной прослойки между разрядом и жидкостью.

• Изучение характера распространения импульсного разряда над поверхностью воды при наличии диэлектрических преград в условиях, когда между разрядом и жидкостью существует паровоздушная среда.

• Детальное изучение влияния сопротивления жидкости на скорость распространения над ней импульсного разряда.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Применение генератора квазипрямоугольных импульсов позволило четко выделить три стадии развития разряда над поверхностью воды в условиях интенсивного парообразования.

• Впервые проведены исследования и выявлены основные особенности распространения разряда над поверхностью воды при наличии нескольких диэлектрических преград различных размеров.

• Впервые получены зависимости средней скорости распространения разряда над поверхностью жидкости от ее сопротивления при изменении последнего в диапазоне от 300 Ом до 300 кОм. Показано, что в условиях проведенных экспериментов наблюдается максимум скорости при значениях сопротивления жидкости, равном четырем балластным сопротивлениям. Предложена приближенная эмпирическая формула для зависимости средней скорости распространения разряда от его начальных параметров, которая достаточно хорошо объясняет полученные экспериментальные результаты.

Практическая ценность работы.

Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы при проведении дальнейших научных экспериментальных и теоретических работ по исследованиям импульсного разряда, распространяющегося по поверхности различных жидкостей.

Они могут быть использованы для оптимизации рабочих условий существующих устройств очистки воды и систем молниезащиты, а также для исследования возможности применения данного типа разряда, для реализации горения тонких пленок топлива, нанесенных на поверхность воды.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы обсуждались на семинарах кафедры электроники физического факультета МГУ и докладывались на следующих конференциях:

1. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 16-23, 2010.

2. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 17-23, 2008.

3. Ломоносовские чтения, МГУ, Физический факультет, апрель 17-22, 2009.

4. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов 2009", МГУ, Физический факультет, апрель 15, 2009.

5. Научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ», Москва, ноябрь 18-19, 2009.

6. 47 международная конференция AIAA Aerospace Sciences Meeting, США, Флорида, Орландо, январь 5-8, 2009.

7. 48 международная конференция AIAA Aerospace Sciences Meeting, США, Флорида, Орландо, январь 4-7, 2010.

8. 49 международная конференция AIAA Aerospace Sciences Meeting, США, Флорида,

Орландо, январь 4-7, 2011.

9. XXXVI международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, Россия, февраль 9-13, 2009.

10. XXXVII международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, Россия, февраль 8-12, 2010.

11. XXXVIII международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, Россия, февраль 14-18, 2011.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Исследования разряда распространяющегося по поверхности слабопроводящей жидкости открывают перспективы для развития и применения такого разряда с различными практическими целями: очистка воды, молниезащита, обработка материала электрода и инициирование химических реакций.

Проведенный анализ экспериментальных и теоретических результатов, полученных в работе, позволяет сделать следующие выводы:

1. Использование квазипрямоугольного импульса напряжения с длительностью до 1 мс позволило, во-первых, четко определить три стадии развития разряда над поверхностью воды и, во-вторых, провести детальное исследование характера разряда при наличии между ним и водой паровоздушной среды. Предложен и экспериментально обоснован ряд методов определения скорости распространения разряда. Показано, что скорость движения разряда между электродами может принимать значения от 150 м/с до 9000 м/с. Экспериментально доказаны условия, выполнение которых необходимо для распространения разряда.

2. На основании спектральных измерений, определена концентрация электронов в завершенном и незавершенном разрядах. Показано, что в условиях данных экспериментов максимальная концентрация электронов достигает величины ~3*1016 см"3 в завершенном разряде, а в незавершенном ~3*1015 см"3.

3. Детально исследовано влияние на характер развития разряда диэлектрических преград, размещенных на поверхности жидкости, перпендикулярно оси движения разряда. Показано, что механизм распространения разряда может носить дискретный характер, причем шаг дискретности будет тем крупнее, чем больше падение напряжения на разряде.

4. Впервые проведено детальное исследование влияния сопротивления жидкости на среднюю скорость распространения разряда над ее поверхностью. Показано, что в условиях проведенных экспериментов зависимость скорости движения разряда от сопротивления жидкости носит немонотонный характер, а именно при увеличении сопротивления скорость вначале растет, а затем падает, достигая максимума при сопротивлении жидкости = 4 • Re, где Rq балластное сопротивление, ограничивающее величину тока разряда в цепи.

5. На основании полученных результатов можно предположить, что в области больших сопротивлений жидкости (для экспериментальных условий данной работы R>k > 4 • Rfj) изменение скорости обусловлено разрядным током, а в области небольших сопротивлений (Ыж < 4 • Яб) - средней напряженностью электрического поля между электродами. Предложена приближенная эмпирическая формула для зависимости скорости распространения разряда от его начальных параметров, которая достаточно хорошо объясняет полученные экспериментальные данные.

1. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: Изд-во МФТИ, 1997.

2. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. Пер. с англ. под ред. Комелькова B.C. М.: Мир.1968.

3. Стекольников И. С. Физика молнии и грозозащита. М. JI. 1943.

4. Мик Д., Крэгс Д. Электрический пробой в газах. Пер. с англ. под ред. Комелькова B.C. М. ИЛ. 1960.

5. Разевиг Д.В., Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М.-Л. 1959.

6. Юман М.А., Молния, пер. с англ. М. 1972.

7. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л. 1971.

8. Schonland В. The lightning discharge. Handbush der Physik Bd 22. Springer-Verlag. 1956.

9. Комельков B.C. Извещение АН. СССР. Техника. 1947. №8. С. 955.

10. Горин Б.Н., Шкилев A.B. Развитие электрического разряда в длинных промежутках при импульсном напряжении положительной полярности // Электричество. 1974. № 2. С. 29.

11. Евтюхин Н.В., Савельев A.B., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Ползущий пробой по поверхности полимера // ДАН СССР. 1989. Т. 307. № 6. С. 1370.

12. Шмелев В.М., Марголин ЛД. Распространение электрического разряда по поверхности воды и полупроводника // ТВТ. 2003. Т. 41. № 4. С. 831.

13. Аксенов B.C., Голуб В.В., Губин С.А. и др. Скользящий электродуговой разряд как способ управления траекторией полета летательного аппарата // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 20. С. 62.

14. Loeb L.B., Meek J.M. The Mechansim of the Electric Spark. Oxford: Clarendon Press. 1941.

15. JIe6 Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. Пер. с англ. под ред. H.A. Капцова. М. -JL: Гостехиздат. 1950.

16. Gallimberti I. // J. Physique. 1979. V.40 N Cl. P. 193.

17. Waters R.T. Electrical breakdown in Gases // Ed. J.M. Meek and J.D. Craggs. New York: Willey. 1978. P.385.

18. Александров Н.Л., Базелян Э.М., Новицкий Д.А. Влияние влажности на свойства длинных стримеров в воздухе. // Письма в ЖТФ, 1998. Т 24. №9. С.86.

19. Арделян Н.В., Бычков В.Л, Космачевский К.В., Кочетов И.В. Моделирование разрядной плазмы с парами воды. XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 8-12 февраля 2010 г. С. 361.

20. Ardelyan N. V., Bychkov V.L., Kochetov I. V., Kosmachevskii К. V. On Pulsed Discharge in Humid Air. ALAA -2010-1589. 48-th ALA A Aerospace Science Meeting, Orlando World Center Marriott, 4-7 January, 2010, Orlando, Florida. (10P).

21. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980.

22. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах. Под ред. Капцова H.A. М.: ОНТИ, 1936.

23. Капцов H.A. Электроника. М.: Гостехиздат. 1956.

24. Энгель. А. Ионизованный газ. М.: Физматгиз. 1959.

25. Смирнов Б.M. Физика слабоионизованного газа. М.: Наука. 1972.

26. P. Bruggeman, C.Leys. Non-thermal plasmas in and in contact with liquids. J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. 42. 053001. p. 1.

27. Анпилов A.M., Бархударов Э.М., Копъев B.A. и др. Вхождение атмосферного электрического разряда в воду // Физика плазмы. 2006. Т.32. №11. С. 1048.

28. Пискарев КМ. Выбор условий электрического разряда при генерировании химически активных частиц для разложения примесей в воде // ЖТФ. 1999. Т.69. вып.1. С.58.

29. Белошеев В.П. Особенности формирования искрового разряда по поверхности воды. // ЖТФ. 1996. Т.66. Вып.8. С.50.

30. Белошеев В.П. Исследование лидера искрового разряда по поверхности воды // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 7. С. 44.

31. Белошеев В.П. Лидерный разряд на поверхности воды в виде фигур Лихтенберга // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 11. С. 63.

32. Белошеев В.П. Самоорганизация структуры лидерного разряда по поверхности воды. // ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.7. С. 109.

33. Бродская Б.Х. Развитие импульсных разрядов на границе газ водный электролит и оценка их воздействия на химические и биологические системы // Химия высоких энергий. Том 16. № 5. 1982. С. 458.

34. Шмелев В.М., Евтюхов Н.В., Козлов Ю.Н., Бархударов Э.М. Химическая физика. 2004. Т.23. №9. С.77.

35. Шмелев В.М., Анпилов А.М., Бархударов Э.М. Поверхностный разряд внутри воздушной каверны в воде // Прикладная физика № 5. 2005. С. 55.

36. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск. 1975. С. 255.

37. Рязанов Н.Д., Перевязкипа Е.П. Действие обеззараживающих факторов импульсного электрического разряда в воде // Электронная обработка материалов 1984. Т. 116. №2. С. 43.

38. Потапчеико Н.Г., Савлук О.С. Использование ультрафиолетового излучения в практике обеззараживания воды // Химия и технология воды. 1991. Т. 13. № 12. С. 1117.

39. Шмелев В.М., Евтюхгш Н.В., Че Д.О. Стерилизация воды импульсным поверхностным разрядом // Химическая физика. 1996 Т. 15. № 3. С. 140.

40. Mizuno A., Hori Y. Destruction of Living Cells by Pulsed High-Voltage Application. IEEE Trans. Ind. Appl. 1988, 24, 387.

41. Sale A.J.H., Hamilton W.A. Effects of High Electric Fields on Microorganisms I. Killing of Bacteria and Yeasts. Biochim. Biophys. Acta 1967, 148, 781.

42. Hamilton WA., Sale A.J.H. Effects of High Electric Fields on Microorganisms II. Mechanism of Action of Lethal Effect. Biochim. Biophys. Acta 1967, 148, 789.

43. Sato M., Tokita K., Sadakata M., Sakai Т., Nakanishi K. Sterilization of the Microorganisms by a High-Voltage Pulsed Discharge Under Water. Int. Chem. Eng. 1990, 30, 695.

44. Grahl Т., Maerkl H. Killing of Microorganisms by Pulsed Electric Fields. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1996,45, 148.

45. Lubicki P., Jayaram S. High Voltage Pulse Application for the destruction of the GramNegative Bacterium Yersinia cnterocolitica. Bioelectrochem. Bioenerg. 1997, 43, 135.

46. Mazurek В., Lubicki P., Staroniewicz Z. Effect of Short HV Pulses on Bacteria and Fungi. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 1995, 2, 418.

47. Schoenbach K.H., Joshi R.P., Stark R.H., Dobbs F.C., Beebe S.J. Bacterial Decontamination of Liquids with Pulsed Electric Fields. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2000, 7, 637.

48. Dunn J., Ott Т., Clark W. Pulsed-light treatment of food and packaging // Food Technology. 1995. № 9. P. 95.

49. Анпилов A.M., Бархударов Э.М. и др. Физика плазмы. 2004. Т. 30. № 7. С. 683.

50. Гайсин А.Ф., Сон Э.Е. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении // ТВТ. 2005. Т. 43. № 1. С. 5.

51. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Раздел 4.7.5. Под ред. Фортова В.Е. М.: Наука. 2000. С. 241.

52. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрофизические процессы в разрядах с твердым и жидким электродами. Свердловск: Изд-во Уральского ун-та. 1989. С. 432.

53. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е Возникновение и развитие объемного разряда между твердыми и жидкими электродами. В сб.: Химия плазмы. Под ред. Смирнова Б.М. Т. 16. М.: Энергоатомиздат. 1990. С. 120.

54. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердыми и жидкими электродами. М.: Изд-во ВЗПИ. 1990. С.90.

55. Afanas'yeva N.A., Galimova R.K., Gaisin KM., et al. The Interaction of the Stream-gas Discharge Plasma with the Surfaces of Solid and Liquid Substances. Fifth European Conference on thermal plasma processes. St. Peterburg. 1998. P. 265.

56. Полок Н. С. Плазмохимия. М.: ИНХС АН СССР. 1990. С.337.

57. Xickling A. Modern Acpeets of Electrochemistry. London. Butterworth. 1971. №6. P. 329.

58. Хлюстова A.B., Максимов A.M., Титов B.A. Коэффициенты эмиссии электронов из растворов электролита. Мат. школы № 9 плазмохимии для молодых ученых России. Иваново: ИГХТУ. 1999. С. 132.

59. Словецкий Д.Ч., Терентъев С.Д., Плеханов В.Г. Механизм плазменно-электролитического нагрева металлов // ТВТ. 1986. Т. 24. № 2. С. 353.

60. Lisitsyn I.V., Nomlyama Н., Katsuki S., Akiyama H. Thermal processes in a streamer discharge in water // IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation 1999, V.6, issue 3, P.351.

61. Гайсин А.Ф. Многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении // ТВТ 2006 г., том 44, № 3. С. 343.

62. Гайсин А.Ф., Тазмеев Х.К. Паровоздушный разряд с пористым электролитическим катодом при атмосферном давлении // ТВТ 2005, том 43, № 6. С. 813.

63. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. М.: Атомиздат. 1969.

64. Акишев Ю.С., Апонин Г.И., Каральник В.Б. и др. Физика плазмы. 2004. Т. 30. № 12. С.1088.

65. Аксеонов B.C., Губин С.А., Ефремов В.П. и др. XVIII Международная конференция «Физика экстремальных состояний вещества 2003» Под ред. Фортова В.Е. и др. Черноголовка: ИПХФ РАН, 2003. С. 103.

66. Аксеонов B.C., Губин С.А., Голуб В.В. и др. The fifth workshop on magnetoplasma aerodynamics for aerospace applications. 2003.

67. Аксеонов B.C., Голуб В.В., Губин С. А. и др. Тезисы научно-координационного совещания-симпозиума «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах». Под ред. Ефремова В.П., Нормана Г.Э. и др. Черноголовка ИПХФ РАН. 2003. С. 25.

68. Зобов Е.А., Соколов В.Г., Сидоров А.Н. и др. ПМТФ. 1980. № 2. С. 19.

69. Фазизов Е.А., Ахмеров H.A., Гладуш Г.Г. и др. ТВТ. 1984. Т.22. № 4. С. 655.

70. Златин H.A. Физика быстро протекающих процессов. Т. 1. М.: Мир. 1971.

71. Базеляи Э.М. Искровой разряд в грунте // Электричество. 1991. № 11. С. 27.

72. Базеляи Э.М., Хлапов A.B., Шкилев A.B. Развитие импульсного разряда вдоль поверхности воды и фунта // Электричество. 1992. № 9. С. 19.

73. Стеколъников И.С. Природа длинной искры. М.: Изд-во АН СССР. 1960.

74. Базелян Э.М. Электричество. 1987. № 5.

75. Байков А.П., Богданов О.В., Гайворонский О. С. и др. Развитие лидера в воздушных промежутках большой длины // Электричество. 1988, № 9.

76. Лупейко A.B., Мирошниченко В.П., Сысоев B.C., Чернов E.H. Особенности развития разряда в длинных промежутках при прямоугольных импульсах напряжения. Труды 2 Всес. совещания по газовому разряду. Т. 2, Тарту. Изд-во ТГУ. 1984.

77. Белошеев В.П. Устройство для обеззараживания питьевой и сточной воды. Патент РФ №2042641. 1992.

78. Гайсин А.Ф., Кашапов Н.Ф. Основные ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ процессы при плазменно-электролитной очистке поверхности. XXXI международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород. 2006.

79. Пискарев И.М., Рылова А.Е., Севастьянов А.И. Образование озона и пероксида водорода в электрическом разряде в системе раствор-газ // Электрохимия. 1966. Т. 32. № 7. С. 895.

80. Резинкина М.М. Князев В.В., Кравченко В.И. Использование математического описания развития лидерного канала молнии для выбора параметров модельных экспериментов и средств молниезащиты // ЖТФ. 2007. Т. 77. Вып. 8. С. 44.

81. Анпилов A.M., Бархударов Э.М., Копъев В.А., Коссый И.А., Силаков В.П. XXXIII Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2006.

82. А. М. Anpilov, Е. М. Barkhudarov, V. A. Kop'ev, I. A. Kossyi High-voltage pulsed discharge along the water surface. Electric and spectral characteristics. 28 ICPIG, July 15-20, 2007, Topic number: 10, p. 1030. Prague, Czech Republic.

83. Филлипов Ю.В., Емельянов Ю.М., Семиохин И.А. Современные проблемы физической химии. М. 1968. Т. 2. С. 43.

84. Белошеев В.П. ПМТФ. 1981. № 2. С. 43.

85. Андреев. С.И., Зобов Е.А., Сидоров А.И. ПМТФ. 1978. № 3. С. 38.

86. Белошеев В.П. Самосогласованность развития и фрактальность структуры лидерного разряда по поверхности воды // ЖТФ, том 69, вып. 4. С. 35.

87. Анпилов A.M., Бархударов Э.М., Коссый И.А., Малых Н.И. XXXV Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2008.

88. A.M. Анпилов, Э.М. Бархударов, И.А. Коссый и др. XXXVI Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2009 г. С. 332.

89. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М. Мир. 1978.

90. Kekez М., Savic P. Correlation of leader velocity for currents varying from 90 mA to 2 kA. 4-th Intern. Symp. On High Voltage Engeneering. Athen, 5-9 Sept. 1983. Rep. 42.04.

91. Кузьмин Г.П., Минаев И.М., Рухадзе А.А. Газодинамическая форма скользящего разряда. // Физика плазмы. Т 36. №12. С. 1149-1150. 2010.1. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА.