2022年11月，電氣工程學(xué)院孫瀅副研究員團(tuán)隊(duì)在水中氣泡引導(dǎo)放電研究方面取得新進(jìn)展，研究成果以《The guiding effect of artificially injected gas bubble on the underwater pulsed spark discharge and its electrical and acoustic parameters after breakdown》為題，發(fā)表在等離子體領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Physics of Plasmas》上。論文第一作者為碩士研究生郭旭，通訊作者為孫瀅副研究員，山東大學(xué)為唯一通訊單位。論文被推薦為雜志封面文章并入選AIP Publishing Scilight推薦文章。

當(dāng)使用一對電極對電介質(zhì)水施加適當(dāng)?shù)拿}沖電壓時(shí)，電荷會因電離而成倍增加，在電極間形成放電通道并擊穿。這創(chuàng)造了一個(gè)看起來像火花的等離子體通道，因此被稱為水下脈沖火花放電。這個(gè)過程將大量的電能輸送到水中，引起密集的加熱和各種物理和化學(xué)反應(yīng)，如發(fā)射聲波和光。該技術(shù)被廣泛用于環(huán)境凈化、廢水處理、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和其他過程。

然而，放電傳播的隨機(jī)性會導(dǎo)致在擊穿前的大量能量損失。孫瀅老師團(tuán)隊(duì)探索了在電極之間注入一個(gè)氣泡如何引導(dǎo)放電傳播并減少能量損失。研究發(fā)現(xiàn)氣泡增強(qiáng)了其附近的電場強(qiáng)度。這將在放電從高壓電極向接地電極發(fā)展的過程中引導(dǎo)放電路徑。研究小組調(diào)查了電極間距和電壓的不同組合，有無氣泡，以及不同位置的氣泡，通過高速相機(jī)分析放電過程，并研究了擊穿電壓和電極間距對聲波特性的影響。基于電動力學(xué)的初步研究清楚證明了氣泡對傳播路徑的影響。此外，利用水下加速度計(jì)的測量和對放電電學(xué)參數(shù)的分析，獲得了等離子體通道能量密度與沖擊波幅值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沖擊波幅值的增加隨著能量密度提升而逐漸飽和；發(fā)現(xiàn)等離子體通道電阻隨著電極間隙的增加而增加，隨著擊穿電壓的提高而降低，總結(jié)得出了水中放電等離子體通道電阻的經(jīng)驗(yàn)公式。以上成果為氣泡脈沖放電作為水下強(qiáng)力聲源在環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用提供了有力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。相關(guān)研究成果獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

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https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0122080