負(fù)極性地閃雷擊點選擇過程的模擬試驗及仿真模型研究.pdf

1、雷電是一種常見的自然災(zāi)害,其巨大的破壞力每年造成大量的人身傷亡事故和財產(chǎn)損失。雷電防護(hù)是能源、交通、航天航空、建筑等諸多領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題。采用負(fù)極性地閃模型模擬雷擊過程是指導(dǎo)防雷保護(hù)裝置設(shè)計和改造的重要手段。然而,由于現(xiàn)有的負(fù)極性地閃模型仍然存在缺陷,部分按照其計算結(jié)果設(shè)計的防雷保護(hù)裝置未起到應(yīng)有的雷電防護(hù)效果,亟待提出一種更為合理的雷擊過程仿真模型。
　　針對現(xiàn)有模型存在的問題,本文擬提出一種可以反映下行先導(dǎo)曲折、分叉特性、地

2、表電場時空變化以及迎面先導(dǎo)起始和發(fā)展物理過程的負(fù)極性地閃模型。并圍繞負(fù)極性梯級先導(dǎo)形成機(jī)制、下行先導(dǎo)通道電荷分布、負(fù)極性下行先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展模型、正極性迎面先導(dǎo)特性及仿真模型、負(fù)極性地閃發(fā)展過程三維仿真模型幾個方面開展工作。
　　根據(jù)負(fù)極性流注的能量平衡方程,結(jié)合基于電位畸變的空間電荷計算方法,推導(dǎo)了描述負(fù)極性流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化過程的轉(zhuǎn)化區(qū)溫度計算公式,提出轉(zhuǎn)化區(qū)的背景電場是決定負(fù)極性梯級先導(dǎo)形成的關(guān)鍵物理參數(shù);通過開展4~10m間隙尺度

3、的負(fù)極性長空氣間隙放電,獲取了負(fù)極性梯級尺度、發(fā)展速度等放電參數(shù),并通過與自然雷電相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比,論證了負(fù)極性長間隙放電與自然雷電的相似性;采用外推的方法,提出了雷電梯級先導(dǎo)形成所需的臨界背景電場。
　　基于模擬電荷法,根據(jù)回?fù)綦娏鞣e分電荷總量與回?fù)綦娏鞣逯档年P(guān)系,研究了下行先導(dǎo)通道的電荷總量和電荷分布。提出了下行先導(dǎo)通道電荷總量與回?fù)綦娏鞣逯档年P(guān)系;獲得了下行先導(dǎo)通道內(nèi)的電荷分布規(guī)律;研究了分支通道對下行先導(dǎo)通道電荷分布的影響

4、,通過引入電荷系數(shù),提出了考慮分支的下行先導(dǎo)通道電荷分布計算方法。
　　采用背景電場作為選擇下行先導(dǎo)發(fā)展方向的放電參數(shù),建立了負(fù)極性下行先導(dǎo)三維隨機(jī)發(fā)展模型;通過對雷電通道的三維幾何特征進(jìn)行分析,建立了分形維數(shù)、分支系數(shù)以及電荷系數(shù)的關(guān)系,并根據(jù)自然雷電的分形維數(shù),確定了電荷系數(shù)和發(fā)展概率指數(shù);采用雷電觀測結(jié)果在分形維數(shù)、電荷總量以及地表電場變化三個方面驗證了下行先導(dǎo)發(fā)展模型的正確性。
　　通過分析雷電下的地表電場時空分布特

5、性,提出了基于電場時空分布等效的正極性迎面先導(dǎo)特性模擬試驗方法;設(shè)計并開展了避雷針的迎面先導(dǎo)特性模擬試驗,獲得了初始電暈電荷、電暈起始電壓、先導(dǎo)起始電壓等放電特征參數(shù);提出了新的流注莖-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化臨界電荷判據(jù);論證了空間電荷對二次電暈起始的抑制作用;獲得了先導(dǎo)初始發(fā)展階段的單位長度電荷量,及單位長度電荷隨先導(dǎo)電流的變化趨勢?？紤]暗區(qū)內(nèi)初始先導(dǎo)的生長和空間電荷對電場的影響,提出了包括流注莖-先導(dǎo)轉(zhuǎn)化熱過程和二次電暈起始過程的正極性迎面先導(dǎo)起

6、始模型;結(jié)合先導(dǎo)電流計算方法和根據(jù)人工引雷試驗、迎面先導(dǎo)模擬試驗和理論推導(dǎo)提出的先導(dǎo)速度與先導(dǎo)電流的關(guān)系,建立了迎面先導(dǎo)發(fā)展模型;采用正極性迎面先導(dǎo)模擬試驗結(jié)果以及自然雷電的迎面先導(dǎo)觀測結(jié)果對模型進(jìn)行了驗證。
　　結(jié)合下行先導(dǎo)三維隨機(jī)模型和正極性迎面先導(dǎo)起始和發(fā)展模型,建立了負(fù)極性地閃發(fā)展過程三維仿真模型。采用該模型對避雷針的擊距、保護(hù)半徑、引雷范圍等防雷性能進(jìn)行了研究。探討了電氣幾何模型對于某個回?fù)綦娏鞣逯挡捎霉潭〒艟噙M(jìn)行計算可