水中等离子体声源的理论与实验研究

水中等离子体声源（UPAS）具有频谱覆盖宽、重复频率高、安全性好等特点，近年来逐渐被纳入水下安防应用之中。本文针对水中等离子体声源的三个工作阶段，即击穿-爆轰-传播聚束，展开了理论研究，初步建立了针对三个工作阶段的物理模型，并展开了相应的数值模拟和实验研究。 论文的主要研究内容和研究结果有以下几个方面： 1、对发生在水中等离子体声源的通常工作条件下（较弱场强E10kV/cm和导电性水）的电热击穿，进行了理论分析。首次提出了电热击穿产生水中电弧的过程在时间顺序上可划分为三个阶段：引燃／流柱连接阶段→预击穿加热阶段→火花击穿阶段。提出并研究了产生电热击穿的两个条件：“实现边界沸腾”和“剩余电压足够”。其中，“实现边界沸腾”可解释为弱电场（E10kV/cm）必须预先向初始电弧周围的边界水中沉积足够的能量，才能使水分子的“气化-电离”循环成为可能。“剩余电压足够”，可解释为，预击穿加热完成后，放电间隙内的场强（火花击穿场强）必须使初始电弧保持足够的温度和电离度，从而为随后的火花击穿过程提供数量充足的引发电子。 2、建立了针对预击穿加热阶段的物理模型，模型首次同时考虑了预击穿加热阶段的两种加热机制：离子电流所产生的整体性焦耳加热，初始电弧所产生的局部性辐射加热。利用该模型对预击穿加热阶段各关键变量的演化作出了数值模拟，模拟结果展示了初始电弧对于电热击穿的重要影响。针对提出的预击穿加热模型展开了相应的实验研究，验证了该模型做出的“边界沸腾”温度约为500oC （773K）的基本假设，还发现了实现火花击穿的最低场强约为8kV/cm。 3、对火花击穿阶段中的稠密放电等离子体（粒子密度为10×1020/cm3量级）的生成过程进行了理论分析，提出在较弱的场强条件下（E10kV/cm），稠密放电等离子体产生于一种“缓发”雪崩电离过程，即，只有当分子被加热到与电子接近的温度，电子-分子间的弹性碰撞所造成的能量转移足够低的情况下，雪崩式的电子碰撞电离过程才会发生。对稠密放电等离子体生成过程中各关键变量的演化作出了数值模拟，得到了产生缓发雪崩电离的场强与对应的临界分子密度之间的近似线性关系，还发现了引发电子数量（电子初始密度）对于稠密放电等离子体生成过程的重要性。 4、建立了以计算电弧的机械功输出为最终目标的“柱爆轰”模型。模型使用理想气体等温状态方程’p=nkT’来计算放电等离子体的压强，使用圆柱膨胀描述电弧的动力学演化，使用“猜测-迭代”算法来计算放电等离子体温度的演化。根据“柱爆轰”模型，数值模拟计算了各关键变量随时间的演化。根据实验测量结果，还对淡、盐水两种条件下的电弧初始半径的可能取值作出了推测。 5、利用数值模拟软件LS-DYNA，对近场条件下，由高长径比（100:1）柱状驱动源所产生的水中放电冲击波的波阵面的演化情况作了数值模拟研究。模拟结果表明，当传播距离（l）大于10倍电弧长度（d）时，柱面冲击波已经演化为较均匀的近似球面波，“l>10d”可以作为确定等离子体声源聚束反射罩的最小尺寸的经验性依据。还利用LS-DYNA，对球面冲击波在指定参数的椭球面反射罩（a=500mm, b=250mm）上的声学聚束情况作出了数值模拟。数值模拟所得到理论聚束增益（17.96）与相应实验所测得的实际聚束增益（12.77）之间的对比表明，冲击波在椭球反射面上的损耗是不可忽略的。