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高矮建筑物多上行先导连接过程的数值模拟

应用气象学报 2022年第1期33卷 80-91页

作者：雷艺楠谭涌波余骏皓郑天雪南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室北京100081

运用改进后的三维多先导模型,允许高矮建筑物上均可以始发上行先导,对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明:矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小,高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连... 详细信息

运用改进后的三维多先导模型,允许高矮建筑物上均可以始发上行先导,对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明:矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小,高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子,当建筑物间高度差较小时,高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显,下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响;随着建筑物间高度差的增加,矮建筑物难以优先始发上行先导,只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时,矮建筑物才可能始发上行先导,并有一定概率与下行先导连接形成回击;当建筑物间高度差超过某阈值后,矮建筑物既不会始发上行先导,更不会被击中。

关键词：数值模拟连接过程多上行先导建筑物间高度差

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雷击建筑物的先导连接过程模拟

应用气象学报 2010年第4期21卷 450-457页

作者：任晓毓张义军吕伟涛陶善昌德庆措姆中国气象科学研究院北京100081 中国科技大学合肥230026 西藏自治区那曲地区气象局那曲852000

为了研究闪电先导与地物的相互作用,该文建立了一个闪电先导的二维模式以模拟雷击建筑物的先导连接过程。模拟得到梯级长度在13.8～51.5 m的范围内,下行先导的感应电荷为0.03×10^(-4)～1.2×10^(-4) C/m,梯级长度和感应电荷量均随着先... 详细信息

为了研究闪电先导与地物的相互作用,该文建立了一个闪电先导的二维模式以模拟雷击建筑物的先导连接过程。模拟得到梯级长度在13.8～51.5 m的范围内,下行先导的感应电荷为0.03×10^(-4)～1.2×10^(-4) C/m,梯级长度和感应电荷量均随着先导离地高度的下降而增加,模拟结果与观测值相吻合。下行先导最后一跳之前的转向并不明显,但最后一跳,下行先导向避雷针产生的上行先导偏转一定角度。模式模拟了下行先导与40 m宽度的建筑之间的相互作用和连接过程,得到建筑物拐角也具有一定的吸引半径,避雷针和拐角之间存在竞争关系。因此,在雷电防护设计中需要考虑拐角等复杂结构尖端对闪电的吸引作用,简单地采用理想情况(如地面孤立高耸尖端)下避雷针的吸引半径等参数进行复杂建筑物的防雷设计会存在问题和隐患。

关键词：先导连接过程吸引半径

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闪电连接过程中先导三维发展特征的分析

闪电连接过程中先导三维发展特征的分析

作者：高彦中国气象科学研究院

学位级别：硕士

闪电二维图像不能反映三维空间中闪电通道的真实分布情况，难以满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求。本硕士论文建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法，从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分... 详细信息

闪电二维图像不能反映三维空间中闪电通道的真实分布情况，难以满足准确分析闪电通道三维发展特征和闪电先导相互作用的需求。本硕士论文建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法，从两幅在不同位置拍摄到的闪电二维图像上分别获取闪电通道的坐标序列，利用空间立体几何原理，寻找两组序列中相互匹配的坐标，再由匹配的坐标序列重建出最终的闪电三维通道。利用建立的闪电通道三维重建方法，对2012年在广州观测到的6次自然闪电连接过程中上行连接先导（Upward Connecting Leader，UCL）和下行先导主分叉（Primary Branch of Downward Leader，PBDL）的通道进行了三维重建，并对比分析了利用单站高速摄像资料和双站光学观测三维重建资料得到的首次回击前连接过程中先导的二维和三维发展特征。主要结论如下：1.重建得到的6个UCL通道三维长度的范围为180-818m，平均值为426m;UCL三维速率的变化范围为0.8-14.3105m/s,平均值为4.7105m/s。UCL三维速率随时间呈现逐渐增加的趋势。2.对应于UCL三维速率的时间段，PBDL三维速率的变化范围为0.8-6.8105m/s,平均值为3.4105m/s。在首次回击前0.4ms之前，PBDL的速率随时间没有明显的变化;在首次回击前0.4ms之内，PBDL的速率随时间有明显增加的趋势。***和UCL之间三维速率比值的范围为0.2-3.8，平均值为0.9。该比值随时间呈现逐渐减小的趋势。在首次回击前0.5ms之内，75%的三维速率比值小于1。4.单独使用主观测站的高速摄像资料，可以得到6个个例中UCL和PBDL三维重建通道对应的二维发展特征。从统计结果来看，三维数据是二维数据的1.1-1.8倍。***头部亮度随时间没有明显的变化趋势，只有在回击前0.2ms之内，PBDL头部亮度才有明显的提升;UCL头部亮度随时间呈增加的趋势。总体上看，先导头部亮度的变化趋势和先导速率的变化趋势相一致。

关键词：自然闪电连接过程通道三维重建先导三维发展特征

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人工引发雷电连接过程特征分析

人工引发雷电连接过程特征分析

作者：刘敏芝南京信息工程大学

学位级别：硕士

闪电连接过程是当前雷电物理研究中最为薄弱的环节之一,受到学界长期密切关注。本文基于山东人工引雷实验,从实验观测角度,辅以空间静电场模拟,对闪电连接过程物理机制进行分析,预期为防雷技术应用中的方案设计、参数选取等提供重要参... 详细信息

闪电连接过程是当前雷电物理研究中最为薄弱的环节之一,受到学界长期密切关注。本文基于山东人工引雷实验,从实验观测角度,辅以空间静电场模拟,对闪电连接过程物理机制进行分析,预期为防雷技术应用中的方案设计、参数选取等提供重要参考。通过高分辨率同步探测技术,获得人工触发闪电的通道底部雷电流、高速摄像和不同距离电场变化等观测数据,进而重点探讨两次特殊引雷个例中连接过程特征。主要研究结果如下:1.基于30m铁塔平台的空中引雷绕行连接过程特征:利用火箭-导线-尼龙线拖带技术,以空中人工引雷方式实现了对30-m信号塔的闪击,并观测到在引雷钢丝底部与塔顶之间表现为特殊S形的绕行连接过程。基于直接测量的雷电流、不同距离处地面电场变化、高速光学图像(交汇)等多手段同步综合观测资料分析发现,从钢丝底部起始的下行负先导与塔顶起始的上行正先导在垂直方向上交错发展4.1 m后,发生转向并在二者之间的公共击穿区域发生连接,路径总长度达25.3 m,为最短直线距离(13 m)的近两倍。连接过程产生持续时间19μs、峰值为11.6 k A的电流脉冲,迅速增强和驱动了钢丝上部向自然空气放电的正先导发展,并在970 m处形成典型的慢前沿、快变化电场波形,且因通道末端电阻率的突变发生反射震荡。该次人工引雷的前8次继后回击均沿绕接的S形通道发展,而最后一次继后回击则变更通道,沿钢丝底部和塔顶之间的连线对信号塔放电。对空间静电场分布的模拟结果表明,负先导起始前,垂直向下方向和连线方向的电场相当,先导行为受流光/电晕系统发散特征导致的随机性所影响;随着先导发展和流光/电晕区的变大,水平方向电场优势显著而导致先导转向,最终在正、负先导相距8～9 m时形成公共击穿区域CSZ使连接得以完成。继后回击间的长时间间隔使通道冷却、导电性下降,利于继后先导以直窜-梯级方式发展,是连接通道发生变更的原因。2.基于传统平台的空中引雷直击连接过程及继后回击连接过程特征:通过专门的实验方案,对一次触发闪电引雷成功时的连接过程及其继后回击连接过程进行近距离观测,获得了高速光学图像、通道底部雷电流、远距离电场等同步观测资料。分析发现,引雷成功时,12～15m长的尼龙线打结未能拉伸,钢丝底部距离引流杆尖端仅1.6 m,引流杆尖端的上行正先导与钢丝底部的下行负先导之间发生了强度很弱的连接过程。在引流杆尖端始发上行正先导53.8μs后,钢丝末端始发下行负先导。在CSZ建立前,下行负先导向正先导持续靠近,而上行正先导从触发到CSZ建立前未发现明显的垂直方向发展。此次连接过程的BTP长度约为0.15 m,持续时间在7.7～15.4μs之间。两次继后回击的时间间隔为63 ms,在回击前一帧中,上行连接先导的长度分别为3.6 m和2.7 m,连接点高度估算为4.3 m和5.2 m。两次回击在6 km处形成典型的慢前沿、快变化电场波形,慢前沿持续时间均为0.5μs,快变化时间均为0.65μs,且在两次继后回击的电场波形上均未观察到LB(leader brust)脉冲。

关键词：人工引雷先导连接过程继后回击

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基于尖端电场畸变的闪电连接过程的数值模拟

基于尖端电场畸变的闪电连接过程的数值模拟

作者：张冬冬南京信息工程大学

学位级别：硕士

地闪过程对我们的生产活动会有很大的影响,而闪电的连接过程对地闪又有很大的影响,因此研究闪电连接过程显得尤为重要。虽然现在闪电实地观测结果不断发展,但是实际观测有其局限性,因此利用模式来研究闪电连接过程的相关特性不仅有利于... 详细信息

地闪过程对我们的生产活动会有很大的影响,而闪电的连接过程对地闪又有很大的影响,因此研究闪电连接过程显得尤为重要。虽然现在闪电实地观测结果不断发展,但是实际观测有其局限性,因此利用模式来研究闪电连接过程的相关特性不仅有利于提高对于闪电连接过程的理论研究,而且对于建筑物如何采取雷电防护措施有更深的了解。本文首先讨论了电场计算的相关研究,然后在电场计算的基础上建立一套近地面闪电发展模式,最后对闪电连接过程进行模拟研究。其各部分主要结论如下：通过对建筑物形状对大气电场畸变影响的研究发现：大气电场的畸变系数与建筑物的宽度之间存在较为复杂的关系。大气电场的畸变系数随着建筑物的弯曲度增大呈减小趋势。其与建筑物的高度之间的关系并不仅是之前发现的线性关系。在已建立模式的基础上,改变闪电随机参数模拟不同的闪电过程来研究地闪的相关特性。模拟结果显示：闪电随机性参数的改变会使闪电击地点、上行先导长度、闪击距离、闪电水平发展范围以及上行先导触发时下行先导尖端位置都会产生影响。对闪电的一些基本参量相互之间进行相关性分析,发现近地面下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性。最后,通过改变闪电随机参数模拟不同的闪电过程来研究闪电连接过程形态。结果显示：一共模拟出五种不同形态的闪电连接过程。依次为：下行先导尖端与上行先导尖端相连、下行先导主支与上行先导尖端相连、下行先导尖端与上行先导主支相连、上行先导触发但未与下行先导相连以及下行先导与地面触发的上行先导相连。对不同形态的闪电连接过程中闪电参数之间的差异进行讨论发现,不同类型的闪电连接方式,其先导长度等参数有一定的差异。

关键词：建筑物形状闪电空间形态连接过程数值模拟

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高矮建筑物多先导连接过程的三维模拟研究

高矮建筑物多先导连接过程的三维模拟研究

作者：雷艺楠南京信息工程大学

学位级别：硕士

大量光学研究表明:在地闪连接过程中,随下行先导传播,通常不只有一个上行先导,而是始发多个上行先导。为加深对近地面多先导连接过程的科学认知,本文运用近地面三维多先导模型进行多次下垫面为高、矮建筑物都存在的地闪模拟敏感性试验,... 详细信息

大量光学研究表明:在地闪连接过程中,随下行先导传播,通常不只有一个上行先导,而是始发多个上行先导。为加深对近地面多先导连接过程的科学认知,本文运用近地面三维多先导模型进行多次下垫面为高、矮建筑物都存在的地闪模拟敏感性试验,改变高建筑物的高度,探讨多先导情况中连接过程的不同情况以及影响因素。此外,针对先前模型的局限性进行改进,并进行与原先模型工作一样的敏感性试验,探讨下行先导选择连接的行为特征,并与原先模型作对比。最后,运用新模型进行相同空间配置下的三组敏感性试验,分别探讨高建筑物的高度、高矮建筑物的水平间距及下行先导的初始电位对高、矮建筑物下连接过程中多先导的起始和落雷点分布的影响。主要结论如下:1.矮建筑物上始发上行先导的概率较小,但其一旦始发上行先导就有较大的可能被击中。建筑物间的高度差是影响闪电连接过程的主要因子。当建筑物间高度差不大时,若下行先导通道偏向矮建筑物,矮建筑物可优先始发上行先导,并有大概率被击中;随着建筑物间高度差的增加,在下行先导通道明显偏向矮建筑物并不断向其靠近的情况下,矮建筑物有可能后始发上行先导,并有一定概率与下行先导连接形成回击过程;当建筑物间高度差超过某个阈值后,下行先导的空间形态对闪电连接过程几乎没有影响,矮建筑物既不会始发上行先导,更不会被击中。2.在不同的高建筑物高度下,矮建筑物先起始上行先导的次数、被击中的次数均小于高建筑物,下行先导与先始发的上行先导连接的次数均大于与后始发的上行先导连接的次数,且均随着高建筑物高度的增加,差距变大。但在多建筑多先导情况中,下行先导与先始发的上行先导连接的次数小于与后始发的上行先导连接的次数。下行先导的初始位置及后续分支的发展情况、多先导的诱发距离和触发步长均会影响下行先导的选择连接。3.各参数对高矮建筑物下连接过程中先导始发及落雷点分布的影响如下:高建筑物越高,矮建筑物越不容易被击中,也越难始发上行先导,高建筑物对矮建筑物的保护作用随高建筑物的增高而增强。高、矮建筑物的水平间距主要对矮建筑物上行先导的始发有较大的影响。高、矮建筑物的水平间距越大,矮建筑物被击中的次数以及起始上行先导的数量越多,此时影响高、矮建筑物上连接过程的因素主要是建筑物本身的高度和下行先导的初始电位。下行先导的初始电位主要对高、矮建筑物下连接过程中上行先导的始发有较大的影响。下行先导的初始电位越强,始发的上行先导总体数量越多,且主要来自于高建筑物,矮建筑物上始发的上行先导的数量占总先导数量的比例随下行先导初始电位的增强而降低,导致其被击中的次数也随之降低。

关键词：连接过程数值模拟多上行先导高矮建筑物

电站钢管TLP扩散连接界面特征与连接过程研究

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电站钢管TLP扩散连接界面特征与连接过程研究

作者：王振江河南理工大学

学位级别：硕士

随着我国电站机组容量、规模和参数的不断提高,锅炉管道承受的蒸汽温度和压力不断增大,新型耐热钢的研发和相应焊接工艺成为制约电站发展的关键课题。采用传统的焊接方法,容易产生焊接变形以及焊接残余应力,瞬时液相扩散焊连接温度低,... 详细信息

随着我国电站机组容量、规模和参数的不断提高,锅炉管道承受的蒸汽温度和压力不断增大,新型耐热钢的研发和相应焊接工艺成为制约电站发展的关键课题。采用传统的焊接方法,容易产生焊接变形以及焊接残余应力,瞬时液相扩散焊连接温度低,界面连接强度高,应用到电站锅炉管道的焊接具有很好的市场前景。本文介绍了电站三种常用钢管的TLP扩散连接,用新研制的FeNiCrSiB非晶箔作中间层,氩气保护,连接压力均为2MPa,连接工艺为:20/20钢,单温工艺,等温温度1200℃,等温时间3min;T91/T91钢,双温工艺,高温温度1260℃,加热0.5min,等温温度1230℃,等温时间3min;T91/12Cr2MoWVTiB钢,双温工艺,高温温度1260℃,加热1/3min,等温温度1250℃,等温时间3min。研究表明,等温温度和等温时间对TLP连接接头界面特征影响显著,上述好的工艺下降熔元素扩散比较充分,没有脆性相形成,随着温度升高,接头中心硬度明显下降。三种TLP连接接头的整体特征是:20/20钢连接界面比较明显,T91/T91钢连接界面模糊不清,而T91/12Cr2MoWVTiB异种钢的连接界面在T91一侧模糊不清,在12Cr2MoWVTiB钢一侧比较明显。界面特征不同的原因为:一是中间层与母材成分上的差异,二是降熔元素和主要合金元素扩散的充分性。根据三种TLP连接接头不同的界面特征,对电站钢管典型的TLP扩散连接界面进行了定义以及区域划分,TLP连接接头可分为接头中心区、接头扩散区、母材扩散区三部分。从试验角度研究了20钢管TLP扩散连接的动力学过程,推测出了连接过程的四个阶段。等温凝固时间10s时焊缝宽度达到最大,此时中间层熔化以及增宽已经完成;等温凝固时间60s时,界面变得平直,等温凝固阶段完成,随后进入接头的均匀化阶段。用EPMA测定了降熔元素的扩散过程,发现在等温凝固时间10s时,降熔元素B、Si的扩散已经很明显,而在10s到60s的等温凝固阶段,B、Si的扩散变化不大,到180s时,B、Si的扩散都比较充分。

关键词： TLP扩散连接耐热钢界面特征连接过程降熔元素

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某卡扣连接过程的数值模拟

计算机辅助工程 2013年第A2期22卷 18-20页

作者：王群姚东航天通信控股集团股份有限公司杭州412205 中国航天科技集团公司第四研究院第四十一所西安710025

针对某金属卡扣对接和插入连接的全过程进行数值仿真.仿真基于Abaqus/CAE开展,提取位移和应力等关键参数的响应.针对初始设计状态暴露的插入过程点-面接触问题,提出改进意见.

关键词：卡扣连接过程接触改进数值仿真

基于有限差分法的高层建筑物雷电连接过程模拟研究

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中低纬山地气象 2019年第2期43卷 64-69页

作者：庄燕洵许楷铖黄惺惺殷启元广东省气象公共安全技术支持中心广东广州510641 广东省珠海市公共气象服务中心广东珠海519000

为研究雷电与高层建筑物的相互作用,该文构建了一个雷电连接过程有限差分计算模型。运用Matlab编写程序,设置网格大小,确定吸收边界,引入松弛因子,对离散化后的线性方程组进行求解,计算得到空间分布的电势值,实现对闪电通道底部二维电... 详细信息

为研究雷电与高层建筑物的相互作用,该文构建了一个雷电连接过程有限差分计算模型。运用Matlab编写程序,设置网格大小,确定吸收边界,引入松弛因子,对离散化后的线性方程组进行求解,计算得到空间分布的电势值,实现对闪电通道底部二维电场的数值模拟,研究建筑物高度、闪电先导起始位置对高层建筑物雷电连接过程的影响,模拟得到闪电路径图和电势等高线分布图,并将模拟得到的结果与实例进行了比对。结果表明,所构建的模型能很好地模拟出下行先导主通道向下发展特征,突出的下垫面因素会对雷电电场传播产生影响,高层建筑物对雷电存在一定的“吸引”作用,要加强高层建筑物及空旷场地孤立建筑物的雷电防护能力,防范于未然,降低雷灾风险。

关键词：有限差分法高层建筑物数值模拟连接过程雷电