RESEARCH OF ENERGY PARAMETERS OF THE INSTALLATION FOR THE IMPLEMENTATION OF THE ELECTROHYDRAULIC EFFECT

Стефан Зайченко; Олена Бориченко; Му Цзі Лі; Вадим Шаленко; Сергій Король

doi:10.20535/1813-5420.3.2025.339792

Автор(и)

Стефан Зайченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-8446-5408
Олена Бориченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-6127-2945
Му Цзі Лі Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0009-0001-8063-6206
Вадим Шаленко Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна https://orcid.org/0000-0002-6984-0302
Сергій Король Інститут технічної теплофізики НАН України, Україна

DOI:

https://doi.org/10.20535/1813-5420.3.2025.339792

Ключові слова:

електрогідравлічний ефект, гідравлічний удар, перехідний процес, іскровий розряд, електроди, множник напруги, кавітація

Анотація

У представленій роботі детально розглянуто питання розрахунку основних параметрів керуючого імпульсу напруги, а також струму розряду, що виникає в міжелектродному проміжку робочої камери технічної системи, яка функціонує на основі електрогідравлічного ефекту. Цей ефект характеризується виникненням локальної області високого тиску в рідкому середовищі, що заповнює робочу камеру, коли через рідину проходить інтенсивний іскровий розряд. Фізична природа процесу полягає у майже миттєвому перетворенні електричної енергії, накопиченої у накопичувальному конденсаторі системи, в енергію іскрового каналу та далі — у механічну дію на навколишню рідину. Такий процес дозволяє використовувати електрогідравлічний ефект як ефективний інструмент для генерації короткочасних механічних імпульсів значної величини, що знаходять широке застосування в інженерних технологіях та спеціальній техніці.

У межах цього дослідження представлено модель електричної системи пристрою, яка дає змогу аналізувати етапи перетворення енергії від накопичувального конденсатора до міжелектродного розряду. Модель дозволяє оцінити формування перехідних процесів, включаючи крутий фронт наростання напруги, виникнення іскрового каналу та подальші загасаючі коливання струму розряду. Особливу увагу приділено розрахунку цих перехідних процесів для двох різних значень ємності накопичувального конденсатора, що дозволяє визначити вплив енергетичного запасу на тривалість і амплітуду розряду. Порівняння отриманих результатів дає змогу простежити, як система поводить себе за різних енергетичних навантажень, що, у свою чергу, створює підґрунтя для оптимізації параметрів усього пристрою відповідно до конкретних інженерних вимог.

Крім того, у статті наведено аналіз роботи схеми множника напруги, яка необхідна для формування потрібного високовольтного потенціалу в міжелектродному проміжку робочої камери. Множник забезпечує поступове накопичення напруги до рівня, достатнього для іскрового пробою, який ініціює електрогідравлічний ефект. Особливості роботи множника, такі як час наростання напруги, ефективність і втрати в елементах схеми, розглянуто детально. Також у дослідженні окреслено можливі обмеження, пов’язані з діелектричною міцністю компонентів і паразитними ємностями, що впливають на стабільність ініціювання іскрового розряду. Таким чином, представлена робота не лише описує фізичну сутність електрогідравлічного ефекту, але й формує практичну базу для розрахунку та моделювання при проєктуванні систем, де контрольовані іскрові розряди в рідинах є основним робочим механізмом.

Посилання

D. M. Angeloni, J. R. Locke, M. E. Chikthimmah, and K. S. Vesper, “Removal of methyl-tert-butyl ether from water by a pulsed arc electrohydraulic discharge system,” Jpn. J. Appl. Phys. 45(10S), 8290–8295 (2006).

T. Gachovska, D. Cassada, J. Subbiah, M. Hanna, H. Thippareddi, and D. Snow, “Enhanced anthocyanin extraction from red cabbage using pulsed electric field processing,” J. Food Sci. 75(6), E323–E329 (2010).

M. Taranenko and O. Naryzhniy, “Modelling the Process of Interaction of a Pulsed Jet with a Workpiece by Electrohydraulic Forming,” in Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2021, LNNS, vol. 367, Springer, 2022.

Cumming, Adam S. Energetics Science and Technology: An Integrated Approach. IOP Publishing, 2022.

M. Pekker, A. Fridman, and J. L. Beilis, “Initiation stage of nanosecond breakdown in liquid,” J. Phys. D: Appl. Phys. 47(2), 025502 (2013).

C. Blaj, D. Toader, and D. Vesa, “The Transient Regime in the Electric Circuit of an Electro Hydraulic Valve,” 2012 16th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, Yasmine Hammamet, Tunisia.

S. Liu, Y. Liu, Z. Li, X. Li, G. Zhou, H. Li, and F. Lin, “Effect of electrical breakdown modes on shock wave intensity in water,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 25(5), 1679–1687 (2018).

W. Feng, P. Rao, S. Nimbalkar, Q. Chen, J. Cui, and P. Ouyang, “The utilization of a coupled electro-thermal-mechanical model of high-voltage electric pulse on rock fracture,” Materials 16(4), 1693 (2023).

J. Mackersie, I. Timoshkin, and S. MacGregor, “Generation of high-power ultrasound by spark discharges in water,” IEEE Trans. Plasma Sci. 33(5), 1715–1724 (2005).

G. Touya, T. Reess, L. Pecastaing, A. Gibert, and P. Domens, “Development of subsonic electrical discharges in water and measurements of the associated pressure waves,” J. Phys. D: Appl. Phys. 39(24), 5236 (2006).

R. Roberts, J. Cook, R. Rogers, A. Gleeson, and T. Griffy, “The energy partition of underwater sparks,” J. Acoust. Soc. Am. 99(6), 3465–3475 (1996).

X. Lu, Y. Pan, K. Liu, M. Liu, and H. Zhang, “Spark model of pulsed discharge in water,” J. Appl. Phys. 91(1), 24–31 (2002).

O. Higa, R. Matsubara, K. Higa, Y. Miyafuji, T. Gushi, Y. Omine, K. Naha, K. Shimojima, H. Fukuoka, H. Maehara, S. Tanaka, T. Matsui, and S. Itoh, “Mechanism of the shock wave generation and energy efficiency by underwater discharge,” Int. J. Multiphys. 6(2), 89–97 (2016).

Y. Wang, Theoretical and Experimental Study of the Underwater Plasma Acoustic Source (National University of Defense Technology, China, 2012).

S. Buogo, J. Plocek, and K. Vokurka, “Efficiency of energy conversion in underwater spark discharges and associated bubble oscillations: Experimental results,” Acta Acust. Acust. 95(1), 46–59 (2009).

R. Han, H. Zhou, Q. Liu, J. Wu, Y. Jing, Y. Chao, and A. Qiu, “Generation of electrohydraulic shock waves by plasma-ignited energetic materials: I. Fundamental mechanisms and processes,” IEEE Trans. Plasma Sci. 43(12), 3999–4008 (2015).

Y. Liu, Z. Li, X. Li, S. Liu, G. Zhou, and F. Lin, “Intensity improvement of shock waves induced by liquid electrical discharges,” Phys. Plasmas 24(4), 043510 (2017).

I. Timoshkin, R. Fouracre, M. Given, and S. MacGregor, “Hydrodynamic modelling of transient cavities in fluids generated by high voltage spark discharges,” J. Phys. D: Appl. Phys. 39(22), 4808 (2006).

E. Gidalevich, R. Boxman, and S. Goldsmith, “Hydrodynamic effects in liquids subjected to pulsed low current arc discharges,” J. Phys. D: Appl. Phys. 37(10), 1509 (2004).

D. Derevianko and S. Zaichenko, “Game-theoretic models of dynamic pricing in microgrids with distributed generation sources,” in Power Systems Research and Operation: Selected Problems III, Cham: Springer Nature Switzerland, 2023, pp. 231–245, doi: 10.1007/978-3-031-44772-3_10.

S. Denysiuk et al., “Evaluation of energy processes in smart monitoring systems of local electricity systems,” in Proc. 2023 IEEE 5th Int. Conf. Modern Electrical and Energy Systems (MEES), 2023, pp. 1–4, doi: 10.1109/MEES61502.2023.10402488.

S. Zaichenko et al., “Parameters determination and development of seasonal cold accumulators with phase transformation,” in Proc. 2023 IEEE 4th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), 2023, pp. 1–4, doi: 10.34229/1028-0979-2023-4-8.

S. Zaichenko et al., “Determining the effect of load on synchronous generator with spark-ignition engine energy efficiency,” Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, vol. 59, no. 6, pp. 43–51, 2022, doi: 10.2478/lpts-2022-0046.

S. Denysiuk et al., “Cost-effective reliability improvement methods in power systems with renewables,” in Proc. 2022 IEEE 8th Int. Conf. Energy Smart Systems (ESS), 2022, pp. 372–377,O. Vovk, S. Zaichenko, M. Li, V. Gorodetsky, S. Korol, and V. Shalenko, “Justification of the parameters of the demining process by hydrodynamic destruction,” Energy: Economics, Technology, Ecology, no. 1, pp. 79–88, Apr. 2025. doi: 10.20535/1813-5420.1.2025.324265

D. Malviya and A. K. Bhardwaj, “Analysis and comparison of capacitor diode voltage multiplier FED with a high frequency and a low frequency voltage source,” Int. J. Adv. Res. Comput. Commun. Eng., vol. 5, no. 6, pp. 234–237, 2016.

Q. Yu, H. Zhang, R. Yang, Z. Cai, and K. Liu, “Effects of confining pressure and hydrostatic pressure on the fracturing of rock under cyclic electrohydraulic shock waves,” Energies, vol. 15, no. 16, p. 6032, 2022.

Y. Voitenko, Y. Sydorenko, R. Zakusylo, S. Goshovskii, S. Zaichenko, and V. Boyko, “On the influence of the liner shape and charge detonation scheme on the kinetic characteristics of shaped charge jets and explosively formed penetrators,” Cent. Eur. J. Energ. Mater., vol. 20, no. 4, 2023.

Y. Voitenko, R. Zakusylo, and S. Zaychenko, “Influence of the striker material on the results of high-speed impact at a barrier,” Cent. Eur. J. Energ. Mater., vol. 18, no. 3, 2021.

S. Zaichenko et al., “Development of a geomechatronic complex for the geotechnical monitoring of the contour of a mine working,” Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, vol. 3, no. 9 (87), pp. 19–25, Jun. 2017, doi: 10.15587/1729-4061.2017.102067.

S. P. Shevchuk et al., “Analytical study of rock cutting mechatron vibration system by flat auger tools,” Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychogo Universytetu, no. 3, pp. 29–34, 2016,