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孤立金属尖端的电晕触发阈值

谭涌波 朱俊儒 李祥超 梁忠武 郭秀峰

谭涌波, 朱俊儒, 李祥超, 等. 孤立金属尖端的电晕触发阈值. 应用气象学报, 2014, 25(3): 339-346..
引用本文: 谭涌波, 朱俊儒, 李祥超, 等. 孤立金属尖端的电晕触发阈值. 应用气象学报, 2014, 25(3): 339-346.
Tan Yongbo, Zhu Junru, Li Xiangchao, et al. Onset corona field based on isolated metal tip. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(3): 339-346.
Citation: Tan Yongbo, Zhu Junru, Li Xiangchao, et al. Onset corona field based on isolated metal tip. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(3): 339-346.

孤立金属尖端的电晕触发阈值

资助项目: 

国家自然科学基金项目 41175003

国家自然科学基金项目 41075003

详细信息
    通信作者:

    谭涌波, email: ybtan@ustc.edu

Onset Corona Field Based on Isolated Metal Tip

  • 摘要: 为了得到金属尖端在发生电晕放电时尖端处的电场强度,该文首先采用实验室实验得到不同高度、不同形状、不同材质的金属尖端发生电晕放电时的环境电场阈值;再采用有限元法计算二维泊松方程,得到尖端处电晕触发阈值,由此得出以下结论:环境电场阈值随金属尖端高度的增大基本呈线性减小趋势,随着尖端越来越尖,环境电场阈值呈先减小后增大的变化趋势;高度、形状对金属物尖端处电晕触发阈值无影响,尖端处电晕阈值为定值;给出尖端处电晕触发阈值为158.75 kV·m-1与空间分辨率的拟合公式,可为今后电晕放电数值模拟中判断电晕放电的起始时刻提供参考。
  • 图  1  实验采用的不同高度的金属尖端 (a) 及不同形状的金属尖端 (b)

    Fig. 1  Experiment with different heights of the lightning rod (a) and different shapes of lightning rod (b)

    图  2  铁制尖端触发电晕放电时环境电场强度随高度变化 (a) 以及Hb/D变化 (b)

    Fig. 2  The change of environmental field strength when iron lightning rod trigger corona discharge with heights (a) and with Hb/D(b)

    图  3  不同空间分辨率的尖端处电晕触发阈值

    Fig. 3  The corona trigger threshold at the tip of metal cusps with different spatial resolutions

    表  1  不同高度、不同形状的铁质尖端发生电晕放电时上板电晕电压值 (单位:kV)

    Table  1  Corona voltage value of iron material rods with different heights and different shapes (unit:kV)

    铁棒类型 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 平均值
    Ha=25 cm -25.6 -26.0 -26.3 -25.7 -26.1 -25.94
    Ha=30 cm -23.6 -23.2 -23.4 -22.9 -23.0 -23.22
    Ha=39 cm -20.6 -20.1 -20.3 -20.6 -20.0 -20.32
    Ha=50 cm -17.6 -17.1 -17.5 -17.8 -17.6 -17.52
    Ha=30 cm,Hb=2.3 cm -22.4 -21.9 -22.6 -22.3 -22.4 -22.32
    Ha=30 cm,Hb=3.0 cm -23.3 -23.5 -23.3 -23.7 -23.1 -23.38
    Ha=30 cm,Hb=4.5 cm -24.1 -24.4 -24.1 -23.9 -24.2 -24.14
    Ha=30 cm,Hb=6.0 cm -25.6 -25.1 -25.4 -24.9 -25.1 -25.22
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    表  2  同一形状、同一高度、不同材质的尖端上板电晕电压值 (单位:kV)

    Table  2  Corona voltage value of lightning rod with the same shape, the same height and different materials (unit:kV)

    材质 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 平均值
    铁棒 -23.6 -23.2 -23.4 -22.9 -23.0 -23.22
    铝棒 -22.6 -22.9 -23.2 -22.5 -22.7 -22.78
    铜棒 -22.9 -22.3 -22.6 -22.3 -22.6 -22.54
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    表  3  不同高度、不同形状的铁质尖端发生电晕放电时尖端处触发阈值 (单位:kV·m-1)

    Table  3  Corona field threshold of iron material rods with different heights and different shapes (unit:kV·m-1)

    类型 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 平均值
    Ha=25 cm 132.510 134.581 136.133 133.028 135.098 134.270
    Ha=30 cm 135.715 133.415 134.565 131.690 132.265 133.529
    Ha=39 cm 136.773 133.453 134.781 136.773 132.789 134.914
    Ha=50 cm 138.779 134.836 137.990 140.356 138.779 138.148
    Ha=30 cm, Hb=2.3 cm 134.861 136.065 131.850 134.258 134.861 134.379
    Ha=30 cm, Hb=3.0 cm 135.335 136.496 135.335 137.658 134.173 135.799
    Ha=30 cm, Hb=4.5 cm 133.992 135.660 133.992 132.880 134.548 134.215
    Ha=30 cm, Hb=6.0 cm 138.772 136.062 137.688 134.977 136.062 136.712
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    表  4  不同形状、不同高度铁制金属物体尖端电晕电场阈值的相对误差 (单位:%)

    Table  4  The relative error of corona field threshold of iron metal objects with different shapes and different heights (unit:%)

    类型 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次
    Ha=25 cm 1.976 0.444 0.704 1.593 0.061
    Ha=30 cm 0.395 1.307 0.456 2.583 2.158
    Ha=39 cm 1.178 1.279 0.296 1.178 1.770
    Ha=50 cm 2.662 0.255 2.078 3.829 2.662
    Hb=2.3 cm 0.237 0.654 2.465 0.683 0.237
    Hb=3.0 cm 0.114 0.973 0.114 1.832 0.746
    Hb=4.5 cm 0.880 0.354 0.880 1.702 0.469
    Hb=6.0 cm 2.658 0.652 1.855 0.151 0.652
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    表  5  同一形状、同一高度、不同材质的尖端发生电晕放电时尖端处触发值 (单位:kV·m-1)

    Table  5  Corona field threshold of lightning rod with the same shape and the same height and different materials (unit:kV·m-1)

    类型 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 平均值
    铁棒 135.715 133.414 134.565 131.690 132.265 133.529
    铝棒 129.965 131.690 133.415 129.380 130.540 130.980
    铜棒 131.690 128.245 129.965 128.240 129.965 129.621
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    表  6  不同材质的尖端电晕电场阈值的相对误差 (单位:%)

    Table  6  The relative error of corona field threshold of metal objects with different materials (unit:%)

    类型 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次
    铁棒 0.395 1.307 0.456 2.583 2.158
    铝棒 3.859 2.582 1.307 4.291 3.433
    铜棒 2.582 5.121 3.859 5.435 3.859
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  • [1] 王道洪, 郄秀书, 郭昌明.雷电与人工引雷.上海:上海交通大学出版社, 2000.
    [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, 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
    [4] 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
    [5] Standler R B, Winn W P.Effects of coronae on electric fields beneath thunderstorms.Quart J Roy Meteor Soc, 1979, 105(443):285-302. doi:  10.1002/(ISSN)1477-870X
    [6] Chauzy S, Raizonville P.Space charge layers created by coronae at ground level below thunderclouds:Measurements and modeling.Journal of Geophysical Research:Oceans, 1982, 87(C4):3143-3148. doi:  10.1029/JC087iC04p03143
    [7] Chauzy S, Soula S.General interpretation of surface electric field variations between lightning flashes.Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1987, 92(D5):5676-5684. doi:  10.1029/JD092iD05p05676
    [8] Whipple F J W.Modern views on atmospheric electricity.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1938, 64(275):199-222. https://www.researchgate.net/publication/227738858_Modern_views_on_atmospheric_electricity
    [9] Toland R B, Vonnegut B.Measurement of maximum electric field intensities over water during thunderstorms.J Geophys Res, 1977, 82(3):438-440. doi:  10.1029/JC082i003p00438
    [10] Whipple F J W, Scrase F J.Point discharge in the electric field of the earth.Geophysical Memoirs, H M S Meteorol Office, 1936, 68(7):1-20.
    [11] Chauzy S, Medale J C, Prieur S, et al.Multilevel measurement of the electric field underneath a thundercloud:1.A new system and the associated data processing.Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1991, 96(22):319-326. https://www.researchgate.net/publication/240485956_Multilevel_measurement_of_the_electric_field_underneath_a_thundercloud_I_-_A_new_system_and_the_associated_data_processing
    [12] Vonnegut B.Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity.Bull Amer Meteor Soc, 1953, 34:378-381.
    [13] Vonnegut B.Some facts and speculations concerning the origin and role of thunderstorm electricity.Meteorol Monogr, 1963, 5(27):224-241. https://www.researchgate.net/publication/312513798_Some_Facts_and_Speculations_Concerning_the_Origin_and_Role_of_Thunderstorm_Electricity
    [14] Chauzy S, Soula S, Despiau S.Ground coronae and lightning.Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1989, 94(D11):13115-13119. doi:  10.1029/JD094iD11p13115
    [15] 郄秀书.雷暴下地面自然尖端电晕放电离子时空演变的数值模拟.地球物理学报, 1996, 39(增刊):43-51. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX6S1.005.htm
    [16] Standler R B, Winn W P.Effects of coronae on electric fields beneath thunderstorms.Quart J Roy Meteor Soc, 1979, 105(443):285-302. doi:  10.1002/(ISSN)1477-870X
    [17] Soula S.Transfer of electrical space charge from corona between ground and thundercloud:Measurements and modeling.Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1994, 99(D5):10759-10765. doi:  10.1029/93JD02596
    [18] Aleksandrov N L, Bazelyan E M, Drabkin M M, et al.Corona discharge at the tip of a tall object in the electric field of a thundercloud.Plasma Physics Reports, 2002, 28(11):953-964. doi:  10.1134/1.1520289
    [19] Bazelyan E M, Raizer Y P, Aleksandrov N L, et al, Corona processes and lightning attachment:The effect of wind during thunderstorms.Atmospheric Research, 2009, 94(3):436-447. doi:  10.1016/j.atmosres.2009.07.002
    [20] 王才伟, 陈茜, 刘欣生, 等.雷暴云下部正电荷中心产生的电场.高原气象, 1987, 6(1):65-74. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYQX198701006.htm
    [21] 逯曦, 张义军, 吕伟涛, 等.近地面电晕电流组网观测与数据分析.气象科技, 2010, 38(6):746-751. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXKJ201006019.htm
    [22] 赵中阔, 郄秀书, 张广庶, 等.雷暴云内电场探测仪及初步实验结果.高原气象, 2008, 27(4):881-887. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYQX200804024.htm
    [23] Kasemir H W.Conference on Cloud Physics and Atmospheric Electricity of AMS.American Meteorological Society, Issaquah, Washington, 1978.
    [24] D'Alessandro F, Berger G.Laboratory studies of corona emissions from air terminals.Journal of Physics D:Applied Physics, 1999, 32(21):2785-2790. doi:  10.1088/0022-3727/32/21/311
    [25] 张榴晨, 徐松.有限元法在电磁计算中的应用.北京:中国铁道出版社, 1996.
    [26] 史密斯 (Smith I M). 有限元方法编程 (第三版). 王崧, 译. 北京: 电子工业出版社, 2003.
    [27] 金建铭, 王建国, 葛德彪.电磁场有限元方法.西安:西安电子科技大学出版社, 1998.
    [28] 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.
    [29] Eriksson A J.The Lightning Ground Flash:An Engineering Study.University of KwaZulu-Natal, 1979.
    [30] Moore C B.Improved configurations of lightning rods and air terminals.Journal of the Franklin Institute, 1983, 315(1):61-85. doi:  10.1016/0016-0032(83)90107-2
    [31] 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, 2012, 12(1):136-151. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130207&flag=1
    [32] 言穆弘, 郭昌明, 刘欣生.雷暴对流起电机制理论分析.大气科学, 1991, 15(2):120-128. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTWT1989S1045.htm
    [33] 言穆弘, 刘欣生.闪电先导静电场波形理论分析.应用气象学报, 1993, 4(2):185-191. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=19930233&flag=1
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-28
  • 修回日期:  2014-01-08
  • 刊出日期:  2014-05-31

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