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基于CFD高精度算法的雷电电磁场研究

航空学报 2021年第S01期42卷 89-97页

作者：王子航吕宏强南京航空航天大学航空学院南京210016 气动噪声控制重点实验室绵阳621000 空气动力学国家重点实验室绵阳621000

雷电空间电磁场一直是电磁领域研究的热门,成熟的算法例如有限时域差分法(FDTD),传输线矩阵法(TLM)以及频域的矩量法(MoM)在计算雷电问题方面都有广泛的应用。由于计算流体力学(CFD)中的Euler方程与电磁学中的Maxwell方程有着相同的守... 详细信息

雷电空间电磁场一直是电磁领域研究的热门,成熟的算法例如有限时域差分法(FDTD),传输线矩阵法(TLM)以及频域的矩量法(MoM)在计算雷电问题方面都有广泛的应用。由于计算流体力学(CFD)中的Euler方程与电磁学中的Maxwell方程有着相同的守恒形式,而且采用间断伽辽金方法(DG)已经在流场问题上得到广泛的尝试,因此引入了基于计算流体力学的DG方法来离散时域Maxwell方程,并采用网格分区并行技术加速计算,使用基于DG的圆球雷达散射截面积(RCS)算例进行测试,数值结果一致表明DG算法在求解电磁场问题上的可行性,之后通过计算一段近场雷电通道的电场分布并与解析解、某算法仿真解对比,数据基本吻合,说明该方法适合于雷电电磁场的计算。

关键词：麦克斯韦方程雷电电磁场间断伽辽金计算流体力学时域电磁场仿真

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传播效应对远距离雷电电磁场的影响

科学技术与工程 2022年第7期22卷 2601-2608页

作者：侯文豪王尧钧王洪生崔逊焦雪张其林江苏省气象灾害防御技术中心南京210041 南京信息工程大学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

雷电电磁波沿着地球表面传播时,受传播效应影响波形会发生畸变,进而影响雷电定位系统的精度。采用Wait解析算法研究了地面有限电导率与地球曲率对1000 km以内雷电电磁场波形的影响,对不同回击电流波形和不同电导率情况下的远场衰减系数... 详细信息

雷电电磁波沿着地球表面传播时,受传播效应影响波形会发生畸变,进而影响雷电定位系统的精度。采用Wait解析算法研究了地面有限电导率与地球曲率对1000 km以内雷电电磁场波形的影响,对不同回击电流波形和不同电导率情况下的远场衰减系数进行了拟合,修正了现有的回击电流峰值反演公式,并对传播效应带来的远场波形到达时间延迟量进行了统计分析。结果表明:当观测距离大于200 km时地球曲率对场的衰减不容忽略;和平坦地面相比,弯曲的地表使得200、500、1000 km处的远场峰值分别额外衰减了约9.6%、29.4%和55.5%。考虑传播效应后远场峰值与理想场的峰值之比随着观测距离d的增加以exp(-d/α)的指数函数大幅递减,指数衰减距离常数α的平均值为1000 km。回击电流波形陡度越大,包含的高频分量越多,远场的衰减越大。雷电电磁波沿陆地表面传播时,传播距离每增加100 km波形初始到达时间平均延迟0.36μs,峰值到达时间平均延迟0.96μs。由此可见,远距离雷电定位和参数反演应充分考虑地球曲率带来的传播效应。

关键词：雷电电磁场传播效应地球曲率雷电流峰值反演闪电定位

弯曲通道长度及倾斜角度对雷电电磁场影响研究

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电子学报 2017年第1期45卷 246-250页

作者：王晓嘉陈亚洲万浩江王浩军械工程学院电磁环境效应国家重点实验室河北石家庄050003 中国空气动力发展与研究中心四川绵阳621000

为了得到弯曲通道雷电电磁脉冲场的分布特性,将电流微源偶极子进行水平分解和垂直分解,利用偶极子法对弯曲通道产生电磁场的表达式进行了推导.在此基础上就底部回击通道长度以及上部回击通道倾斜角度对地表电磁场的影响规律进行了相关研... 详细信息

为了得到弯曲通道雷电电磁脉冲场的分布特性,将电流微源偶极子进行水平分解和垂直分解,利用偶极子法对弯曲通道产生电磁场的表达式进行了推导.在此基础上就底部回击通道长度以及上部回击通道倾斜角度对地表电磁场的影响规律进行了相关研究.研究结果表明,弯曲通道的电磁场峰值主要取决于底部放电通道的长度,在中间场和远场区底部通道越长对应的电磁场幅值越小;而倾斜角度对近场区电磁场影响极小,在中间场和远场区电磁场幅值会随着倾斜角度的增加而降低,且距离越远倾斜角度对电磁场幅值的影响越明显.

关键词：雷电电磁场弯曲放电通道地表电磁场脉冲函数

基于FDTD的不同土壤类型及湿度对雷电电磁场传播影响的研究

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热带气象学报 2021年第3期37卷 348-357页

作者：杨雅绮刘银萍刘非凡张乃康刘国进翟浩源祝宝友中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥340100 南京信息工程大学大气物理学院江苏南京210044

为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响,首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型,在Mur一阶边界条件下,利用2D-FDTD计... 详细信息

为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响,首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型,在Mur一阶边界条件下,利用2D-FDTD计算粘土、粉土和砂土这三种具有代表性土壤在不同土壤湿度和观测距离下的雷电电磁场。研究结果表明:相比于粉土和砂土,雷电电磁场沿粘土地表传播过程中产生的水平电场更容易受土壤湿度的影响,特别是土壤湿度较低时,即土壤湿度从5%到6%变化过程中,水平电场峰值的波动幅度达39.86%;当土壤类型为粘土时,水平电场Er、垂直电场Ez和磁场Hφ受土壤湿度影响等级为Ez>Hφ;随着闪电电磁辐射传播距离和土壤湿度的增大,场幅值减小,波形的波头上升沿时间变慢。研究结果为准确评估和量化不同土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播的影响以及优化闪电站网定位提供了重要的科学依据。

关键词：雷电电磁场 FDTD 土壤类型土壤湿度土壤电导率

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雷电电磁场传输线方程的修正与分析

大学物理 2018年第4期37卷 51-53页

作者：叶根普洱学院物理系云南普洱665000

考虑大地的有限导电率时,大地附近的水平电场对电源线和电子设备的影响更为显著,因此,在假设大地为完全导体的情况下推导出来的雷电电磁场传输线方程需进行修正.利用修正过的传输线方程以及大地的各种参数,经过计算得到雷电过电压在传... 详细信息

考虑大地的有限导电率时,大地附近的水平电场对电源线和电子设备的影响更为显著,因此,在假设大地为完全导体的情况下推导出来的雷电电磁场传输线方程需进行修正.利用修正过的传输线方程以及大地的各种参数,经过计算得到雷电过电压在传输线上的传播情况,并对大地有限导电率的影响作了讨论分析.

关键词：雷电电磁场大地有限导电率传输线方程

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基于斜向通道模型的雷电电磁场近场近似特性

高电压技术 2013年第3期39卷 648-654页

作者：王晓嘉陈亚洲李冰万浩江王琳军械工程学院静电与电磁防护研究所 63963部队 77108部队

为获得更加接近实际情况的近区雷电电磁脉冲场(LEMP)波形,利用偶极子理论对基于斜向放电通道模型产生的地表LEMP场进行了理论研究。通过近似处理,得到了基于TL模型的地表LEMP近场及其导数的一阶、二阶近似解析表达式。采用脉冲函数表示... 详细信息

为获得更加接近实际情况的近区雷电电磁脉冲场(LEMP)波形,利用偶极子理论对基于斜向放电通道模型产生的地表LEMP场进行了理论研究。通过近似处理,得到了基于TL模型的地表LEMP近场及其导数的一阶、二阶近似解析表达式。采用脉冲函数表示通道基电流,对比了精确表达式与近似表达式计算的电磁场及其导数波形,结果表明:在距回击通道50m以内,电磁场及其导数波形分别与近似电磁场及其导数波形基本符合;在相同距离内,电场与其一阶近似之间的偏差比磁场与其一阶近似之间的偏差小,电场与其二阶近似之间的偏差比磁场与其二阶近似之间的偏差大,且这些偏差都随着水平距离的增加而增加。

关键词：雷电电磁场斜向放电通道偶极子法近似特性近场回击模型

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回击速度对雷电电磁场近似关系的影响

微波学报 2017年第1期33卷 25-31页

作者：王李鹏陈亚洲万浩江王晓嘉军械工程学院静电与电磁防护研究所石家庄050003

为了探索雷电回击通道底部电流与回击电磁场之间的关系,基于TL模型在近场区和远场区对雷电电磁场近似表达式进行了推导,在此基础上研究了回击速度对底部电流和雷电电磁场之间近似性的影响。研究结果表明:在近场区电磁场与底部电流之间... 详细信息

为了探索雷电回击通道底部电流与回击电磁场之间的关系,基于TL模型在近场区和远场区对雷电电磁场近似表达式进行了推导,在此基础上研究了回击速度对底部电流和雷电电磁场之间近似性的影响。研究结果表明:在近场区电磁场与底部电流之间的差异主要集中在峰值部分,而在远场区二者之间的差异主要集中在峰值过后的下降沿部分,但无论在近场区还是远场区,二者之间的偏差均会随着回击速度的增大而减小,当回击速度接近光速时,二者波形几乎完全重合。在v=c时基于不同的电磁场成分对电磁场与底部电流之间的关系进行了推导,结果显示当v=c时近场近似与远场近似将统一为一个相同的表达式,且此表达式在推导过程中不存在任何近似,进一步证明了当v=c时,无论在近场区还是远场区地表电磁场波形与底部电流波形完全一致。

关键词：雷电电磁场回击速度回击通道底部电流近似性

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变电站接地网雷电电磁场的快速算法

中国电机工程学报 2011年第12期31卷 114-119页

作者：李琳黄红瑕赵志斌华北电力大学电气与电子工程学院河北省保定市071003

提出了一种计算大型变电站接地网电磁场的快速算法。首先,该算法使用修正镜像法(modified image method,MIM)将待求模型所处的半无限有损空间化为均匀空间,从而避免了原电场积分方程中出现的索末菲积分计算。其次,借助快速多极子方法(fa... 详细信息

提出了一种计算大型变电站接地网电磁场的快速算法。首先,该算法使用修正镜像法(modified image method,MIM)将待求模型所处的半无限有损空间化为均匀空间,从而避免了原电场积分方程中出现的索末菲积分计算。其次,借助快速多极子方法(fast multipole method,FMM)求解该电场积分方程,最后,利用共轭梯度法求解线性代数方程。在选取基函数及权函数时充分考虑了阻抗矩阵对称性和区组元素相互作用的平移不变性。与其他文献及CDEGS软件的计算对比结果,验证了该算法的正确性、适用性及有效性。

关键词：修正镜像法半无限有损空间雷电电磁场快速多极子方法

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建筑物顶部雷电电磁场的畸变效应研究

电瓷避雷器 2018年第5期 27-30,34页

作者：宿志国吕伟涛王万富南京信息工程大学中国气象局气溶胶-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 上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室上海200438

采用3D-FDTD电磁场数值算法对建筑物顶部雷电电磁场的畸变效应进行研究。考虑雷击高塔情况下,分析雷电电磁场在建筑物顶部的波形特征,探讨不同高度建筑物对电磁场波形的影响。仿真结果表明,当场点处存在建筑物时,雷电垂直电场的畸变效... 详细信息

采用3D-FDTD电磁场数值算法对建筑物顶部雷电电磁场的畸变效应进行研究。考虑雷击高塔情况下,分析雷电电磁场在建筑物顶部的波形特征,探讨不同高度建筑物对电磁场波形的影响。仿真结果表明,当场点处存在建筑物时,雷电垂直电场的畸变效应较为显著,建筑物不仅会增强垂直电场的峰值,还会影响电场波形的多峰特征。而角向磁场的畸变效应较弱,建筑物仅对其峰值有一定的影响,而对其波形多峰特征的影响可以忽略。

关键词：雷电高塔建筑物时域有限差分雷电电磁场