建筑物高度对雷击影响的模拟研究.pdf
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1、301农业灾害研究 2023,13(8)建筑物高度对雷击影响的模拟研究孟德友1,2,蔡河章11.福建省气象灾害防御技术中心,福建福州 350007;2.福建省灾害天气重点实验室,福建福州 350007摘要 采用已有的先导连接模式研究建筑物高度对雷击的影响,在特定研究区域保持先导模式的基本初始条件不变,只改变闪电的随机参数和建筑物高度与分布特征。针对特定对象进行大量闪电模拟实验,得到相关雷击发生发展与建筑物特性之间的关系。研究发现:针对单体建筑物,建筑高度越高,该建筑的保护范围越大,建筑也越容易引发雷击。并且由先导模式计算的建筑物保护范围明显大于用滚球法计算的保护范围,其差异随建筑高度增高而变大
2、。针对建筑群,高建筑物对周围矮建筑物的临界保护范围大小与高建筑物的高度呈正相关,与矮建筑物的高度和建筑间距离呈负相关。关键词 先导连接模式;闪电模拟;建筑物高度;雷击保护范围中图分类号:P427.32+1 文献标识码:B 文章编号:20953305(2023)080301-04雷电(lightning,亦称闪电)是发生在雷暴天气的一种瞬时长间距放电现象。闪电放电过程中产生的大峰值电流、强电磁辐射、巨大的热量等物理效应,会对地面建筑物、电力电子设备、交通等产生破坏作用,甚至对人们的生命构成较大威胁1。闪电包括地闪和云闪2种,据统计,地闪约占闪电总数的1/3,地闪的发生与地面建筑物特性、电力输送等
3、人类活动密切相关,因此地闪对人类造成的危害影响最大2。在地闪研究中,关于地闪先导的发展过程受到学者们的广泛关注。当云内下行先导开始向下发展接近地面时,地面自然尖端物体由于受到先导头部的强电场作用会触发上行先导,当上、下行先导在自然尖端上方几十至几百米的地方连接时,称这个过程为闪电的连接过程。目前,国内外专家学者对先导模式的研究已经很多。研究之初针对先导始发的条件,主要包括Carrara等3在实验基础上提出的临界半径概念和Rizk4提出的数字化始发判断模型这2种经典模式。Mazur等5通过对上行先导与下行先导连接过程的物理表述建立了雷电先导发展的物理模式。李丹等6通过模拟发现,建筑物的自身特性对
4、击地点有很大影响。谭涌波等7-8发现随机性参数对闪电的发展形态影响较大,并且闪电发展形态对击地点有很大影响。本研究利用先导连接模式,对高建筑物周围环境的屏蔽作用和建筑物雷击保护距离与建筑物高度等相关特征参数之间的关系进行了讨论,通过改变闪电的随机参数,进行大量的闪电模拟实验,最终得出建筑物高度对雷击影响的具体结果,以及建筑物高度对周围保护距离的影响关系。将研究结果与防雷规范进行对比,为防雷设计工作提供 参考。1 模式介绍1.1 先导连接的参数化方案闪电先导通道的发展是随机并且梯级推进的,故在此认定先导的每次推进只进行1个格点,在此基础上,计算先导发展通道格点与周围格点之间的场强,之后依照计算的
5、概率情况进行随机地选择性传播发展。以下给出概率大小的计算公式:Pa(E)=(|Ea|Ec|)1F|Ea|Ec|Ea|Ec|0(1)E=k(|Ek|Ec|)(2)Simulation Study on the Impact of Building Height on Lightning Strike Meng De-you et al(Fujian Meteorological Disaster Prevention Technology Center,Fuzhou,Fujian 350007)Abstract Used the existing leader connection model
6、to study the impact of building height on lightning strikes,keeping the basic Initial condition of the leader model unchanged in a specific research area,and only changing the random parameters of lightning,building height and distribution characteristics.Conduct a large number of lightning simulati
7、on experiments on specific objects to obtain the relationship between the occurrence and development of lightning strikes and the characteristics of buildings.Research has found that for individual buildings,the higher the building height,the greater the protection range of the building,and the more
8、 likely the building is to cause lightning strikes.And the protection range of buildings calculated by the pilot mode is significantly larger than that calculated by the rolling ball method,and the difference increases with the increase of building height.For building clusters,the critical protectio
9、n range of high buildings for surrounding low buildings is positively correlated with the height of high buildings,and negatively correlated with the height of low buildings and the distance between buildings.Key words Pilot connection mode;Lightning simulation;Building height;Lightning protection r
10、ange作者简介 孟德友(1994),男,江苏徐州人,助理工程师,主要从事应用气象服务工作。收稿日期 2023-05-18302Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.8其中,Ec为传播阈值,Pa为每个可能发展格点的概率,Ea为每个可能发展格点的电场强度。利用计算公式(1)(2),依次求出每个可能发展格点的概率数值,然后再按照所求概率大小进行随机地选择性传播发展。研究假定下行先导的始发位置位于模拟区域的顶层中心位置,当下行先导和上行先导与周围格点之间的电位差大于传播阈值(上行先导与下行先导的始发阈值均设定为150 kV)时,
11、先导才可以发展,即在模拟闪电发展过程中,上行先导和下行先导是否扩展由其自身传播条件确定。在此假设先导的传播模型如图1所示。在此模型中,已经发展的先导通道以粗实线表示,可能发展的格点以实心黑点表示,计算可能发展格点与端点格点之间的电位差,再利用上述的概率计算公式求出满足条件的格点,如果计算得出下一发展格点以图1中端点格点下方3个格点最为可能,即可能的发展路径以细实线相连接,闪电的发展,即在这3个点中进行随机选择发展。图1 先导传播模型当下行先导的闪电通道发展一步时,模式对地面和建筑物上是否能触发上行先导进行判断,如果地面和建筑物的相关电势差不能达到上行先导的始发阈值,下行先导将进一步向下发展,直
12、至地面和建筑物的相关电势差达到或超过上行先导的始发阈值,在符合条件的1个或多个点随机选择1个成为上行先导的始发点,自此上行先导触发并开始向上发展,其发展过程和下行先导发展过程类似,以格点化梯级推进发展。当下行先导与上行先导通道格点间的电势差超过连接阈值时(设定上行先导与下行先导的连接阈值为500 kV),此时,在所有超过连接阈值的格点中随机选择2个作为连接点,从而使上行先导与下行先导相互连接,闪电发展过程结束。1.2 模式设置本研究设定近地面上方600 m 600 m范围为主要研究区域,将所设模拟域采用离散方式,离散为600个边长为1 m的正方形网格,即研究区域的分辨率为1 m1 m。在初始场
13、模式设置中,取地面初始电位为0 V,顶部边界的初始电位设为0.6 MV,背景电场值设定为1 kV/m,且设电场方向垂直向下。为使闪电初始位置不变,假定模拟域的顶部边界中间位置存在2个很小的向下发展的负先导,设此负先导的初始长度为5 m,其初始点电位为-10 kV,该初始负先导作为初始边界条件存在,且其内电位将随着闪电通道的不断发展而不断变大。在模拟域下边界的正中间位置设定1个建筑物,且假定建筑物与大地接触良好,可以形成1个零势体。如图2模拟结构图,h为建筑物高度,z、y、A、B、C和D为建筑物的左右端点。本研究中,针对边界条件的设定,左右边界均满足诺依曼(Neumann)边界条件,运用条件是物
14、理量在该边界上的数值为常数;建筑物、顶部边界层及地面均满足狄里赫利(Dirichlet)边界条件,使用条件是物理量的法向导数在该边界上的数值为常数。相应阈值设定如下:设上行先导与下行先导的传播阈值均为150 kV,上行先导触发阈值亦为150 kV,设定上行先导与下行先导的连接阈值为500 kV。600 m600 m初始负先导初始负先导600 m600 m高建筑物低建筑物ABCDdh2h1hzy图2 模拟结构图2 单体建筑的保护范围模拟及分析由于近地面闪电空间发展具有极其不确定性,故本实验只通过改变下行先导的初始位置进行模拟。在实验中,固定建筑物高度(h)为35、50、65和80 m,宽度(w)
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