基于RSD的脉冲发生器破碎岩混材料实验仿真

式中，Pm为冲击波的波前最大压力值;β为无因次的复杂积分函数，近似取0.7;ρ为液体密度，可取为1g/cm3;ω为放电通道单位长度的脉冲总能量;T为脉冲能量的持续时间;τ为波前时间。根据式(1)和冲击电流波形的波前时间，如图4所示，得出冲击压力波波形图，如图3所示，压力峰值P=140 MPa，上升时间为50μs，半高宽T=500μs此冲击波压力幅值>30 MPa，可完全克服岩混材料拉伸强度。

高压脉冲的前沿陡峭，可导致冲击波的前沿陡峭，冲击波的上升时间应足够小，使其经过具有不同声阻抗的介质表面时能充分反射。从上升时间来看，压力波的压力梯度较大，在冲击波经具有不同声阻抗的介质界面时，能充分反射，由反射公式从冲击波的特性过程中也得到一定的理论依据，冲击波的反射式为

其中，ρ为介质密度;V为弹性波的速度;y为声阻抗;R为冲击波的波头的压力;F为分界面反射回介质的拉伸压力。而油的y值要小于水介质，会有更好的破碎效果。冲击波压力波形的半高宽应足够小，使冲击波穿透岩混材料的时间大于冲击波的脉宽，避免岩混材料内部的入射波与反射波相互抵消。

3 仿真分析与优化

实验流程：高压脉冲发生器首先充电，然后通过RSD迅速将脉冲从电源经电缆传向电极，在电极尖端击穿同时发生等离子爆炸，产生高温高压等离子体，并向4周以冲击波形式传播。

图5为仿真实验所使用电极结构图。优化前电极负极直径为2 cm空心不锈钢圆柱，正极为直径1 cm的弹簧钢。优化后电极直径为2 cm的空心不锈钢，负极为直径1 cm的弹簧钢，负极头为直径2 cm，厚度1 cm圆柱。电极之间使用绝缘树脂支撑连接。

图6为优化设计前后电子的运动轨迹。通过对比发现，优化设计前电子运动轨迹为半球形，所产生的冲击波为向4周均匀传播。对于垂直向下方向冲击波属于压应力，对岩混材料破碎效果不明显，相当于减弱了水平方向冲击能量。而优化设计后的电子运动轨迹为垂直水平向下，这样产生等离子爆炸所形成的冲击波主要沿水平方向传播。对于岩混材料块，水平方向产生的垂直剪切力最容易产生破碎，从而达到高效破碎岩混材料的目的。

图7为优化设计前后能量密度分布图。通过对比发现优化前能量主要集中在电极顶端边缘和负极边缘，而经过优化设计的电极能量密度主要分布在负极边缘。意味等离子爆炸主要发生在负极边缘，所产生的冲击波此处最强。对于水平方向的拉应力贡献最大，对岩混材料的破碎效果最好。

4 结束语

通过高压脉冲对岩混材料击穿过程的仿真研究得到以下结论：(1)通过调整基于RSD脉冲发生器的输出脉冲参数可高效破碎岩混材料，其高压脉冲的幅度及脉冲前沿是影响的关键因素，可导致影响冲击波的幅值及前沿，进而决定破坏效果。经测试，其高效破碎岩混材料的典型参数为：最大输出电流可达 180kA，输出波形的脉冲前沿上升率为30kA/ μs。(2)基于RSD脉冲发生器放电破碎，可代替安全性差的炸药爆破方式，可有效提高设备的可靠性、增加设备寿命并能减少开关元件中能量的损失。(3) 通过优化设计电极结构，可使电子束运动轨迹及其能量密度分布更加合理。对岩混材料的破坏效果进一步提高。