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闪电脉冲电磁场及其耦合效应的研究

作 者: 丁同禹
导 师: 吴群
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 电磁场与微波技术
关键词: 地闪回击 闪电电磁脉冲(LEMP) 时域有限差分法(FDTD) Agrawal模型 亚网格技术
分类号: O441.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 58次
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内容摘要


随着信息和通信系统中微电子器件集成度的不断提高,地闪回击辐射形成的闪电电磁脉冲(LEMP)对电气系统造成的危害日益严重。在讨论闪电回击产生的机理和特征的基础上,分析了地闪回击的六种典型工程实用模型。针对TL类模型和DU模型,采用时域有限差分(FDTD)数值算法,应用MATLAB仿真,计算了地闪回击时距离放电通道1000m范围内的脉冲辐射场,分析了其波形及分布特征,计算结果与国内外文献频域计算结果相吻合。同时建立了不规则地形环境下的地闪回击模型,分别计算了山地、山谷地形环境下闪电电磁场的波形及分布特征,研究结果发现,高地顶端对LEMP产生极强的积聚作用,并且随着高地高度的增加,积聚作用不断加强。而山谷地势两端的脉冲电磁场会出现增强现象。该研究结果对建立复杂地形环境下的LEMP防护标准设计具有重要指导意义。文章研究了回击通道长度对计算结果精度的影响,发现缩减计算长度会对远场计算结果造成误差,而这一因素在数值计算中常被忽略。最后分别计算了闪电击中平地和避雷针时的空间辐射场特征,以及在传输线缆上产生的过电压,并应用FDTD亚网格技术计算了闪电电磁脉冲对建筑物的耦合效应,该方法实现了在较大的计算区域对相对小尺寸结构的精细建模,同时保证了计算通道的长度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-21
  1.1 研究的目的与意义  8-11
  1.2 研究背景及国内外现状  11-19
    1.2.1 闪电放电的实验与观测  11-13
    1.2.2 闪电放电的理论  13-18
    1.2.3 闪电防护的研究现状  18-19
  1.3 主要研究内容  19-21
第2章 地闪回击模型的建立与分析  21-35
  2.1 闪电及闪电的起因  21-22
  2.2 云地闪电的分类及其放电过程  22-25
  2.3 地闪回击的性质及特征  25-29
    2.3.1 地闪回击通道电流的特性  25-28
    2.3.2 地闪回击的统计特征  28-29
  2.4 地闪回击的工程模型  29-31
  2.5 地闪回击基电流  31-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章 基于FDTD 方法的闪电电磁场计算  35-62
  3.1 引言  35-36
  3.2 时域有限差分法基本原理  36-44
    3.2.1 微商的差商近似  36-37
    3.2.2 Yee 网格算法  37-38
    3.2.3 Maxwell 旋度方程二维柱坐标系下的差分表示  38-40
    3.2.4 FDTD 解的稳定性和吸收边界条件  40-44
  3.3 地闪回击辐射电磁场的计算  44-55
  3.4 通道长度参数对闪电电磁场的影响  55-57
  3.5 闪击避雷针时电磁场的空间分布和变化规律分析  57-61
  3.6 本章小结  61-62
第4章 闪电脉冲电磁场对线缆耦合效应的研究  62-69
  4.1 引言  62
  4.2 Agrawal 场-线耦合模型的基本原理  62-65
    4.2.1 等效模型的建立  62-63
    4.2.2 应用FDTD 求解Agrawal 方程  63-65
  4.3 FDTD 计算模型及结果分析  65-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章 基于亚网格技术的建筑物内部耦合电磁场的计算  69-77
  5.1 引言  69
  5.2 亚网格技术的基本原理  69-71
  5.3 应用亚网格技术计算建筑结构内部耦合电磁场  71-76
  5.4 本章小结  76-77
结论  77-79
参考文献  79-88
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  88-90
致谢  90

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学 > 电磁波与电磁场
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