建筑物上側(cè)擊雷電的三維數(shù)值模擬.pdf

1、雷電引起的災(zāi)害是世界上十大自然災(zāi)害之一。觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，下行閃電的連接先導(dǎo)和上行閃電閃擊點(diǎn)多發(fā)生于高大建筑物的尖端拐角處，少部分發(fā)生在建筑物的側(cè)面，但是側(cè)擊雷電所造成的危害卻不容忽視。由于建筑物側(cè)面的防雷保護(hù)措施相對(duì)薄弱，閃電擊中建筑物側(cè)面所形成的巨大沖擊波以及強(qiáng)電磁輻射，對(duì)建筑物以及人類的安全造成了極大的威脅。因此認(rèn)識(shí)側(cè)擊雷電的過(guò)程機(jī)理及產(chǎn)生原因是十分必要的。
　　本文根據(jù)已有二維閃電隨機(jī)模式，建立了三維近地面閃電先導(dǎo)發(fā)展隨機(jī)模式

2、，并分析三維隨機(jī)模式的相關(guān)影響因素。通過(guò)討論二維先導(dǎo)隨機(jī)模型、模擬域選擇以及建筑群等影響因素，比較大氣電場(chǎng)畸變值變化，分析三維模式下閃電的空間發(fā)展特征。在此基礎(chǔ)上，本文先通過(guò)與二維先導(dǎo)隨機(jī)模型進(jìn)行相比，發(fā)現(xiàn)三維隨機(jī)模型在閃電空間發(fā)展的研究中更具有優(yōu)勢(shì)。隨著閃電在近地面處不斷地發(fā)展，由于二維先導(dǎo)模型沒(méi)有三維空間的發(fā)展特征，閃電的發(fā)展步數(shù)較少，尖端處電場(chǎng)值增加較快，而在三維模型中可以更好地獲取與真實(shí)閃電更相符的閃電通道及先導(dǎo)發(fā)展特征。在模擬

3、域的選擇上，選擇近地面500m×500m×500m模擬域時(shí)，既可以大量的減少計(jì)算量，同時(shí)又可以滿足對(duì)側(cè)擊雷的產(chǎn)生原因及影響因素進(jìn)行探討的要求。在建筑物群模型的討論上，建筑物群不僅是影響閃電空間形態(tài)變化重要因素，還是影響著建筑物尖端電場(chǎng)畸變值大小，其建筑物群中的尖端電場(chǎng)畸變值在同一時(shí)期小于單個(gè)建筑物尖端電場(chǎng)畸變值。
　　基于三維近地面閃電先導(dǎo)發(fā)展隨機(jī)模式，通過(guò)改變先導(dǎo)初始電位和建筑物幾何特性，分析各情況下的側(cè)擊雷電發(fā)生概率，探討側(cè)擊

4、雷電產(chǎn)生原因及影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn):建筑物尖端電場(chǎng)畸變值是影響側(cè)擊雷電產(chǎn)生的重要參量。當(dāng)下行先導(dǎo)靠近建筑物且傳播位置低于建筑物的高度時(shí)，建筑側(cè)面電場(chǎng)畸變值達(dá)到觸發(fā)閾值，側(cè)擊雷電易產(chǎn)生。下行先導(dǎo)初始電位、初始位置以及建筑物幾何特性（高度和寬度）是影響側(cè)擊雷電發(fā)生概率的重要因素。當(dāng)下行先導(dǎo)初始電位在-9MV～-3MV范圍內(nèi)，側(cè)擊雷電發(fā)生概率呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)初始電位為-4.5MV時(shí)，側(cè)擊雷電的發(fā)生概率達(dá)到峰值。下行先導(dǎo)初始位置與建筑物水

5、平距離的變化影響著側(cè)擊雷的發(fā)生，側(cè)擊雷發(fā)生概率隨水平距離的變化呈先增加后降低再增加再降低的趨勢(shì)。當(dāng)建筑物高度在50m～150m范圍內(nèi)，側(cè)擊雷電發(fā)生的概率隨著高度增加呈先增加后減少趨勢(shì)。當(dāng)建筑物高度為100m時(shí)，側(cè)擊雷電的發(fā)生概率達(dá)到峰值。當(dāng)建筑物寬度在30m～70m范圍內(nèi)，側(cè)擊雷電發(fā)生概率隨建筑物寬度呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)建筑物寬度為30m時(shí)，側(cè)擊雷電的發(fā)生概率達(dá)到峰值。
　　通過(guò)研究，不但可以深入了解閃電的三維空間發(fā)展形態(tài)及發(fā)展過(guò)程中建