基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空化泡誘發(fā)技術(shù)，特別涉及一種基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā) 空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置，屬于空化及空泡動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 馬克思發(fā)生器（Marx Generator)是一種利用電容并聯(lián)充電再串聯(lián)放電的高壓裝 置，該結(jié)構(gòu)由E. Marx于1924年提出，經(jīng)常用于絕緣沖擊耐壓及介質(zhì)沖擊擊穿、放電等試驗(yàn) 中，如公開號(hào)為CN203688736U，發(fā)明名稱為一種基于馬克思發(fā)生器的絕緣及介質(zhì)沖擊耐壓 裝置的專利申請(qǐng)。所述馬克思發(fā)生器也叫沖擊電壓發(fā)生器。
[0003] 空化現(xiàn)象也被稱為空穴現(xiàn)象，是水體局部劇烈氣化在水體中生成氣體空腔的現(xiàn) 象，這個(gè)氣體空腔稱為空化泡。
[0004] 空化現(xiàn)象存在于自然界，例如，槍蝦獵食時(shí)會(huì)將它的巨螯快速合上，噴射出一道 時(shí)速高達(dá)1〇〇公里左右的水流，將獵物如小魚、小蟹震懾、擊昏，甚至殺死。這道高速水流 會(huì)觸發(fā)空化現(xiàn)象，成形一個(gè)極微小的空化泡。（Lohse D, Schmitz B，Versluis M. Snapping shrimp make flashing bubbles[J]. Nature, 2001, 413(6855):477-478.)
[0005] 空化現(xiàn)象也廣泛存在于水利工程、船舶工程等領(lǐng)域的人造設(shè)施，例如輸水隧洞表 面會(huì)因凸起的鋼筋、砂石發(fā)生空化現(xiàn)象，進(jìn)而破壞混凝土表面?？栈F(xiàn)象往往伴隨著高流 速、高壓力梯度、高能量，常規(guī)的模型試驗(yàn)無法模擬，因此，它成為多個(gè)學(xué)科共同面對(duì)的難 點(diǎn)。因而，研究空化現(xiàn)象具有重要意義，而人工制造空化泡是研究空化現(xiàn)象的重要手段。
[0006] 空化的形成原因可能是水體中壓強(qiáng)降低或水溫溫度上升，利用電火花產(chǎn)生的高溫 在水體中產(chǎn)生空化泡，進(jìn)而可利用高速攝像機(jī)、水聽器等量測(cè)設(shè)施研究空化泡的發(fā)展、潰滅 規(guī)律。
[0007] 現(xiàn)有基于變壓器一次升壓、硅堆濾波整流的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置，其硅 堆濾波整流的方式是將民用交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，并利用電容、針板誘發(fā)放電；該裝置 只能通過調(diào)節(jié)與針板串聯(lián)的電阻來改變空化泡的大??；在該裝置工作過程中，超過100kV 的高壓脈沖擊穿針板的同時(shí)，電極擊穿純水如二次去離子水，使電極在水體中產(chǎn)生空化泡， 上述過程反復(fù)進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)裝置存在的缺陷有：（1)需要100kv以上的高壓脈沖，其電氣裝 置的耐壓、絕緣要求很高；尤其是變壓器、高壓硅堆和高壓電容尺寸大，因而成套裝置往往 需要單獨(dú)的一整間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行布置；且價(jià)格貴。（2)電火花放電是隨機(jī)過程，而針板之間的 電場(chǎng)不均勻，這導(dǎo)致放電的參數(shù)具有較大的離散性。（3)產(chǎn)生的空化泡大小受到電容大小、 針板間距、電極間距、變壓器輸出電壓、以及電阻等眾多參數(shù)影響；利用現(xiàn)有裝置不易控制 以上參數(shù)，從而空化泡大小也不易控制。（4)產(chǎn)生電壓較大，安全性較低，且對(duì)實(shí)驗(yàn)人員有較 強(qiáng)的電磁輻射。（5)巨大的裝置的高電壓、高電流產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和計(jì)算機(jī) 等設(shè)施具有較大的干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的正是針對(duì)所述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，提出一種基于馬克 思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)新裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置利用馬克思發(fā)生器，將變壓器的 升壓比變?yōu)樵瓉淼?/n，其中，η為馬克思發(fā)生器的級(jí)數(shù)；本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置采用級(jí)數(shù)為2~ 10級(jí)的馬克思發(fā)生器，同時(shí)在空氣中采用球隙，以及在水體中采用針尖電極，利用球隙的間 距和針尖電極的間距控制空化泡的大小。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是采用由以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0010] 本發(fā)明提出的一種基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置，包括可調(diào) 直流穩(wěn)壓電源，ZVS驅(qū)動(dòng)電路，高壓包，馬克思發(fā)生器，球隙，針尖電極，水槽，光源和背光源， 高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述可調(diào)直流穩(wěn)壓電源提供直流穩(wěn)壓電壓給ZVS驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)ZVS驅(qū) 動(dòng)電路后變換成交流電壓，交流電壓通過高壓包升壓后變換為直流高壓電壓，直流高壓電 壓傳輸給馬克思發(fā)生器，所述馬克思發(fā)生器與布置在水槽中的針尖電極連接，馬克思發(fā)生 器還與與球隙連接，球隙與水槽中針尖電極連接；所述光源，背光源，高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī) 單獨(dú)置放，且高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。
[0011] 上述技術(shù)方案中，所述馬克思發(fā)生器的級(jí)數(shù)η設(shè)計(jì)為2~10級(jí)。
[0012] 上述技術(shù)方案中，所述馬克思發(fā)生器的每一級(jí)由對(duì)稱排列成兩行的第一電阻或第 二電阻和電容構(gòu)成；級(jí)與級(jí)之間安裝火花隙。
[0013] 上述技術(shù)方案中，所述馬克思發(fā)生器的輸入電壓加載到第一級(jí)，第一級(jí)由兩個(gè)對(duì) 稱第一電阻和電容構(gòu)成，第2~10級(jí)由18個(gè)第二電阻排成對(duì)稱兩排和9個(gè)電容構(gòu)成。
[0014] 上述技術(shù)方案中，所述的針尖電極帶有螺紋和壓花，針尖電極可以為平頭或尖頭， 其最頂端的直徑小于或等于1_。
[0015] 上述技術(shù)方案中，所述的球隙帶有螺紋和壓花，其最頂端為半球面或其他光滑曲 面。
[0016] 本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置，其基本原理是： 將馬克思發(fā)生器用于電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置中，同時(shí)在空氣中采用"球隙"，以及在 水槽中放置針尖電極。所述馬克思發(fā)生器的一個(gè)輸出端連接水槽中針尖電極，針尖電極與 球隙連接，球隙也與馬克思發(fā)生器的另一個(gè)輸出端連接，并利用針尖電極的間距大小和球 隙的間距大小來控制其空化泡的大小。馬克思發(fā)生器的輸入端連接ZVS驅(qū)動(dòng)電路和高壓 包，零電壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路接入直流穩(wěn)壓電源。裝置啟動(dòng)后，直流穩(wěn)壓電源提供的低壓直流電 經(jīng)過零電壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和高壓包后變?yōu)楦邏褐绷麟?，?dāng)馬克思發(fā)生器有高壓直流電輸入 時(shí)，電容開始充電，此時(shí)各個(gè)級(jí)電容之間為并聯(lián)方式，當(dāng)電容兩端電壓上升到足以擊穿各自 支路的火花隙時(shí)，火花隙被擊穿，此時(shí)所有電容轉(zhuǎn)變?yōu)榇?lián)，串聯(lián)的電容共同對(duì)球隙和針尖 電極放電，得到電壓很高的脈沖直流電。所述直流穩(wěn)壓電源帶有限流功能，裝置中出現(xiàn)短路 時(shí)會(huì)自動(dòng)跳閘，保護(hù)電路。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較所具有的優(yōu)點(diǎn)及有益的技術(shù)效果：
[0018] 1、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置采用2~10級(jí)的馬克思發(fā)生器，作為電火花誘發(fā)空化泡的高 壓裝置，即將變壓器輸出的較低的恒定電壓變成較高的脈沖電壓輸出。
[0019] 2、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置比現(xiàn)有的裝置尺寸大大減小，這不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室用地，還 降低了裝置成本造價(jià)。
[0020] 3、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置采用短路自動(dòng)斷路方法既避免高壓觸電的危險(xiǎn)性，降低實(shí)驗(yàn) 裝置產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因而減小對(duì)其他實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)施的干擾；還增加操作人員的安全性。
[0021] 4、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置在空氣中采用球隙和在水體中采用針尖電極，利用球隙的間 距和針尖電極的間距控制其空化泡的大小，使裝置可以定量地改變空化泡的大小，減小放 電過程的隨機(jī)性，使每次放電產(chǎn)生的空化泡的尺寸更均勻。
【附圖說明】
[0022] 圖1本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖示 意圖；
[0023] 圖2本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置中10級(jí)馬克 思發(fā)生器電路示意圖；
[0024] 圖3本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置中的球隙結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置中的針尖電 極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖中，1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，2ZVS驅(qū)動(dòng)電路，3高壓包，4馬克思發(fā)生器，5球隙，6光 源，7背光源，8針尖電極，9高速攝像機(jī)，10計(jì)算機(jī)，11第一電阻，12第二電阻，13電容，14 火花隙，15螺紋，16壓花。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖，并通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不意味著 是對(duì)本發(fā)明所述保護(hù)內(nèi)容的任何限定。
[0028] 本發(fā)明所述基于馬克思發(fā)生器的電火花誘發(fā)空化泡的實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所 示，包括可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1，ZVS驅(qū)動(dòng)電路2,高壓包3,馬克思發(fā)生器4,球隙5,光源6,背 光