留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算

郭秀峰 谭涌波 郭凤霞 师正 王宁宁

郭秀峰, 谭涌波, 郭凤霞, 等. 建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算. 应用气象学报, 2013, 24(2): 189-196..
引用本文: 郭秀峰, 谭涌波, 郭凤霞, 等. 建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算. 应用气象学报, 2013, 24(2): 189-196.
Guo Xiufeng, Tan Yongbo, Guo Fengxia, et al. Numerical simulation of effects of building tip on atmospheric electric field distortion. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(2): 189-196.
Citation: Guo Xiufeng, Tan Yongbo, Guo Fengxia, et al. Numerical simulation of effects of building tip on atmospheric electric field distortion. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(2): 189-196.

建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算

资助项目: 

国家自然科学基金项目 41175003

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY200806014

国家自然科学基金项目 41075003

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY201006005

详细信息
    通信作者:

    郭凤霞, email: aguo_fx@yahoo.com.cn

Numerical Simulation of Effects of Building Tip on Atmospheric Electric Field Distortion

  • 摘要: 建筑物尖端周围大气电场畸变特征研究是大气电学的重要分支之一。假定建筑物为理想导体并与地面充分连接,通过有限差分法计算二维泊松方程,得出建筑物周围的电位空间分布。讨论建筑物尖端的高度、宽度以及相对位置对大气电场畸变的影响,结果表明:最大电场畸变系数λi随高度呈线性增加,且线性方程斜率随宽度增加而减小;λi随尖端位置沿建筑屋顶的中心线向两边呈对称递增趋势,此趋势随建筑物高度增加更为显著; λi随尖端宽度呈指数递减关系,且宽度对畸变系数的影响随高度增加变得尤为显著。
  • 图  1  建筑物模型

    Fig. 1  Building model

    图  2  不同尖端高度周围大气电场的电位等值线分布 (单位:kV)

    (a) 尖端高度为530 m, (b) 尖端高度为230 m

    Fig. 2  Plot of equipotentials around building and tip in different heights under the atmospheric electric field (unit:kV)(a) the height of tip is 530 m, (b) the height of tip is 230 m

    图  3  不同建筑物宽度条件下最大电场畸变系数 (E/E0) 随尖端高度 (HT) 变化的关系曲线

    Fig. 3  Variation of E/E0 with HT when the structure width are fixed at 100 m, 50 m and 30 m, respectively

    图  4  不同尖端宽度周围大气电场的电位等值线分布 (单位:kV)

    (a) 尖端宽度为1 m, (b) 尖端宽度为30 m

    Fig. 4  Plot of equipotentials around building and tip in different widths under the atmospheric electric field (unit:kV)(a) the width of tip is 1 m, (b) the width of tip is 30 m

    图  5  地面上 (HT=30 m) 最大电场畸变系数E/E0随尖端宽度w变化的关系曲线

    Fig. 5  Variation of E/E0 with w when tip on the ground (HT=30 m)

    图  6  不同高度建筑物条件下最大电场畸变系数E/E0随尖端宽度w变化的关系曲线

    Fig. 6  Variation of E/E0 with w by buildings with different heights

    图  7  不同尖端位置周围大气电场的电位等值线分布 (单位:kV)

    (a) 尖端设置于顶面的左边界上,(b) 尖端设置与顶面的中间部分

    Fig. 7  Plot of equipotentials around building and tip in different tip locations under the atmospheric electric field (unit:kV)

    (a) the tip locates at the left edge of the roof, (b) the tip locates at the center of the roof

    图  8  不同高度建筑物条件下最大电场畸变系数E/E0随尖端位置s变化的关系曲线

    Fig. 8  Variation of E/E0 with tip location by buildings with different heights of the structure

    表  1  不同宽度建筑物λiHT的拟合方程中常量的取值

    Table  1  The constant values of fitting equation of λi and HT by buildings with different widths

    W/m a b
    30 2.3574 0.097
    50 2.4849 0.092
    100 2.5462 0.090
    下载: 导出CSV

    表  2  不同高度建筑物λiw的拟合方程中常量的取值

    Table  2  The constant values of fitting equation of λi and w by buildings with different heights

    H/m a t b R2
    0 3.10802 4.62834 4.75243 0.988
    100 10.63255 4.54626 12.74505 0.989
    300 25.55048 4.46437 28.78252 0.990
    500 40.37338 3.89759 46.42381 0.995
    下载: 导出CSV

    表  3  不同高度建筑物下λis拟合方程中常量取值

    Table  3  The constant values of fitting equation of λi and s by buildings with different heights

    H/m a b c R2
    500 0.00228 -0.22207 78.69342 0.983
    300 0.00137 -0.13339 50.20669 0.982
    下载: 导出CSV
  • [1] 张义军, 周秀骥.雷电研究的回顾和进展.应用气象学报, 2006, 17(6):829-834. doi:  10.11898/1001-7313.20060619
    [2] 吴亭, 吕伟涛, 刘晓阳, 等.北京地区不同天气条件下近地面大气电场特征.应用气象学报, 2009, 20(4):394-401. doi:  10.11898/1001-7313.20090402
    [3] 张义军, 孟青, 马明, 等.闪电探测技术发展和资料应用.应用气象学报, 2006, 17(5):611-620. doi:  10.11898/1001-7313.20060504
    [4] Soula S, Chauzy S.Multilevel measurement of the electric field underneath a thundercloud:Dynamical evolution of a ground space charge layer.J Geophys Res, 1991, 96(D12):22327-22336. doi:  10.1029/91JD02032
    [5] Standler R B, Winn W P.Effects of coronae on electric fields beneath thunderstorms.Meteorol Soc, 1979, 105:258-302. doi:  10.1002/qj.49710544319/full
    [6] Hubert P, Laroche P, Eybert-Berart A, et al.Triggered lightning in New Mexico.J Geophys Res, 1984, 89:2511-2521. doi:  10.1029/JD089iD02p02511
    [7] Liu X, Wang C, Zhang Y, et al.Experiment of artificial triggering lightning in China.J Geophys Res, 1994, 99:10727-10731. doi:  10.1029/93JD02858
    [8] McEachron K B.Lightning to the Empire State Building.J Franklin Inst, 1939, 227:149-217. doi:  10.1016/S0016-0032(39)90397-2
    [9] Eriksson A J.Lightning and tall structures.Trans S Afr IEE, 1978, 69:238-252. http://ieeexplore.ieee.org/document/5252721/
    [10] Berger K, Vogelsanger E.New Results of Lightning Observations//Planeteary Electrodynamics, 1969:498-510.
    [11] Miki M, Rakov V A, Shindo T, et al.Initial stage in lightning initiated from tall objects and in rocket triggered lightning.J Geophys Res, 2005, 110(D02):109, doi: 10.1029/2003JD4474.
    [12] Wang D, Takagi N, Watanabe T, et al.Observed characteristics of upward leaders that are initiated from a windmill and its lightning protection tower.J Geophys Res, 2008, 35, L02803, doi:10.1029/2007 GL 032136.
    [13] Rakov V A, Uman M A.Lightning:Physics and Effects.New York:Cambridge University Press, 2003.
    [14] Don W C, Heinz W K.Triggered Lightning.IEEE Trans Electromagn Compat, 1982, 24:112-122. http://ieeexplore.ieee.org/document/4091536/
    [15] D'Alessandro F.The use of "Field Intensification Factors" in calculations for lightning protection of structures.Journal of Electrostatics, 2003, 58:17-43. doi:  10.1016/S0304-3886(02)00178-X
    [16] D'Alessandro F.Striking distance factors and practical lightning rod installations:A quantitative study.Journal of Electrostatics, 2003, 59:25-41. doi:  10.1016/S0304-3886(03)00069-X
    [17] Bermudez J L, Rachidi F, Rubinstein M, et al.Far-field-current relationship based on the TL model for lightning return strokes to elevated strike objects.IEEE Trans Electromagn Compat, 2005, 47(1):146-159. doi:  10.1109/TEMC.2004.842102
    [18] 杨波, 周璧华, 高太长.泰山和西双版纳两地雷暴电场特征分析.解放军理工大学学报:自然科学版, 2008, 9(3):302-306. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JFJL200803020.htm
    [19] 杨仲江, 朱浩, 唐宏科, 等.地面电场仪测量数据的误差来源及分析处理.大气科学学报, 2010, 33(6):751-756. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJQX201006014.htm
    [20] 周骏驰. 大气电场仪观测结果的修订及应用. 南京: 南京信息工程大学, 2011.
    [21] Yoshihiro B, Vladimir A R.Electromagnetic field at the top of a tall building associated with nearby lightning return strokes.IEEE Trans Electromagn Compat, 2007, 49(3):632-643. doi:  10.1109/TEMC.2007.902402
    [22] 任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等.雷击建筑物的先导连接过程模拟.应用气象学报, 2010, 21(4):450-457. doi:  10.11898/1001-7313.20100408
    [23] 周璧华, 姜慧, 杨波, 等.地物环境对地面大气电场测量的影响.电波科学学报, 2010, 25(5):839-844. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DBKX201005005.htm
    [24] 耿雪莹, 张其林, 刘明远, 等.地面建筑物 (群) 对雷暴云大气电场影响的模拟研究.气象科技, 2012, 40(5):827-833. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXKJ201205025.htm
    [25] 任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等.闪电先导随机模式的建立与应用.应用气象学报, 2011, 22(2):194-202. doi:  10.11898/1001-7313.20110208
    [26] 吕英华.计算电磁学的数值方法.北京:清华大学出版社, 2006.
    [27] 郭硕鸿.电动力学.北京:高等教育出版社, 2008.
    [28] Kanai Yasushi.Automatic mesh generation for 3D electro-magnetic field analysis by FD-TD method.IEEE Trans Magnetics, 1998, 34(5):3383-3386. doi:  10.1109/20.717796
    [29] 廖臣, 祝大军, 刘盛纲.五点差分格式求解泊松方程并行算法的研究.电子科技大学学报, 2008, 37(1):81-83. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKDX200801025.htm
    [30] 马东升.数值计算方法.北京:机械工业出版社, 2002.
    [31] 胡枫, 于福溪.超松弛迭代法中松弛因子ω的选取方法.青海师范大学学报:自然科学版, 2006(1):42-45. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-QHSD200601012.htm
    [32] Becerra M, Cooray V, Hartono Z A.Identification of lightning vulnerability points on complex grounded structures.Journal of Electrostatics, 2007, 65:562-570. doi:  10.1016/j.elstat.2006.12.003
    [33] 刘克哲, 张承琚.物理学.北京:高等教育出版社, 2005.
    [34] 郭立新, 李江挺, 韩旭彪.计算物理学.西安:西安电子科技大学出版社, 2009.
  • 加载中
图(8) / 表(3)
计量
  • 摘要浏览量:  3918
  • HTML全文浏览量:  1162
  • PDF下载量:  1455
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-05-24
  • 修回日期:  2013-01-10
  • 刊出日期:  2013-04-30

目录

    /

    返回文章
    返回