[发明专利]基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种空化泡诱发技术，特别涉及一种基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置，属于空化及空泡动力学领域。

背景技术

马克思发生器(MarxGenerator)是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中，如公开号为CN203688736U，发明名称为一种基于马克思发生器的绝缘及介质冲击耐压装置的专利申请。所述马克思发生器也叫冲击电压发生器。

空化现象也被称为空穴现象，是水体局部剧烈气化在水体中生成气体空腔的现象，这个气体空腔称为空化泡。

空化现象存在于自然界，例如，枪虾猎食时会将它的巨螯快速合上，喷射出一道时速高达100公里左右的水流，将猎物如小鱼、小蟹震慑、击昏，甚至杀死。这道高速水流会触发空化现象，成形一个极微小的空化泡。(LohseD,SchmitzB,VersluisM.Snappingshrimpmakeflashingbubbles[J].Nature,2001,413(6855):477-478.)

空化现象也广泛存在于水利工程、船舶工程等领域的人造设施，例如输水隧洞表面会因凸起的钢筋、砂石发生空化现象，进而破坏混凝土表面。空化现象往往伴随着高流速、高压力梯度、高能量，常规的模型试验无法模拟，因此，它成为多个学科共同面对的难点。因而，研究空化现象具有重要意义，而人工制造空化泡是研究空化现象的重要手段。

空化的形成原因可能是水体中压强降低或水温温度上升，利用电火花产生的高温在水体中产生空化泡，进而可利用高速摄像机、水听器等量测设施研究空化泡的发展、溃灭规律。

现有基于变压器一次升压、硅堆滤波整流的电火花诱发空化泡的实验装置，其硅堆滤波整流的方式是将民用交流电转化为高压直流电，并利用电容、针板诱发放电；该装置只能通过调节与针板串联的电阻来改变空化泡的大小；在该装置工作过程中，超过100kV的高压脉冲击穿针板的同时，电极击穿纯水如二次去离子水，使电极在水体中产生空化泡，上述过程反复进行。该实验装置存在的缺陷有：(1)需要100kV以上的高压脉冲，其电气装置的耐压、绝缘要求很高；尤其是变压器、高压硅堆和高压电容尺寸大，因而成套装置往往需要单独的一整间实验室进行布置；且价格贵。(2)电火花放电是随机过程，而针板之间的电场不均匀，这导致放电的参数具有较大的离散性。(3)产生的空化泡大小受到电容大小、针板间距、电极间距、变压器输出电压、以及电阻等众多参数影响；利用现有装置不易控制以上参数，从而空化泡大小也不易控制。(4)产生电压较大，安全性较低，且对实验人员有较强的电磁辐射。(5)巨大的装置的高电压、高电流产生较强的电磁场，对实验仪器和计算机等设施具有较大的干扰。

发明内容

本发明的目的正是针对所述现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验新装置。该实验装置利用马克思发生器，将变压器的升压比变为原来的1/n，其中，n为马克思发生器的级数；本发明的实验装置采用级数为2～10级的马克思发生器，同时在空气中采用球隙，以及在水体中采用针尖电极，利用球隙的间距和针尖电极的间距控制空化泡的大小。

为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的一种基于马克思发生器的电火花诱发空化泡的实验装置，包括可调直流稳压电源，ZVS驱动电路，高压包，马克思发生器，球隙，针尖电极，水槽，光源和背光源，高速摄像机和计算机；所述可调直流稳压电源提供直流稳压电压给ZVS驱动电路，经ZVS驱动电路后变换成交流电压，交流电压通过高压包升压后变换为直流高压电压，直流高压电压传输给马克思发生器，所述马克思发生器与布置在水槽中的针尖电极连接，马克思发生器还与与球隙连接，球隙与水槽中针尖电极连接；所述光源，背光源，高速摄像机和计算机单独置放，且高速摄像机与计算机连接。

上述技术方案中，所述马克思发生器的级数n设计为2～10级。

上述技术方案中，所述马克思发生器的每一级由对称排列成两行的第一电阻或第二电阻和电容构成；级与级之间安装火花隙。

上述技术方案中，所述马克思发生器的输入电压加载到第一级，第一级由两个对称第一电阻和电容构成，第2～10级由18个第二电阻排成对称两排和9个电容构成。

上述技术方案中，所述的针尖电极带有螺纹和压花，针尖电极可以为平头或尖头，其最顶端的直径小于或等于1mm。