一种三维雷电先导发展路径的生成方法技术

本发明专利技术公开了一种三维雷电先导发展路径的生成方法，该方法包括以下步骤：步骤一、确定矩形仿真空间和发展概率指数；步骤二、对研究对象进行3D建模，设置边界条件和上行先导起始点；步骤三、运用有限差分法离散化空间电势，结合超松弛迭代计算空间电势，根据WZ模型和赌轮盘法确定已发展点；步骤四、判断先导是否满足结束条件，若不满足则返回步骤三；步骤五、根据上下行先导相接触或下行先导接触到研究对象作为雷电先导发展结束标志。本发明专利技术通过仿真手段实现对真实雷电发展过程的模拟，可模拟目标物在雷电环境中各部位的受雷击情况，为防雷设计提供指导和验证。

【技术实现步骤摘要】
一种三维雷电先导发展路径的生成方法
本专利技术属于防雷
，具体涉及一种三维雷电先导发展路径的生成方法。
技术介绍
雷电作为一种强破坏性和威胁性的气候现象，其放电过程十分复杂，雷云对地的放电受到气象、地质和地形等许多自然条件的影响，带有很大的随机性。雷云放电路径往往是不可预测的。但是，雷电发展路径又具有一定的独特性，通过对雷电放电路径一些自有的本质特性的把握，就可以在一定程度上实现对雷电路径的模拟，进而真实反映实际的雷击过程。许多高耸的建筑物以及露天的重要设备都容易遭到雷电侵袭，继而威胁到附近居民的生命财产安全。通常采用安装避雷针或避雷线的方式来实现对周围物体的雷电防护，目前评估避雷针防护能力的方法主要是绘制出避雷针的保护范围，若所需保护的物体在避雷针保护范围的包络线内，即可认为此避雷针可以实现对该物体的雷电防护(该物体的受雷击概率为0.1％)。这样仅凭经验和理论的方法去评估被保护物或避雷针的受雷击概率显然是缺乏说服力的，但由于现实中雷电的发生充满随机性，用实际的雷击过程去评估某物体在安装避雷针前后的受雷击概率是不可能的。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种三维雷电先导发展路径的生成方法，以模拟目标物在雷电环境中各部位的受威胁情况，为防雷设计提供指导。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三维雷电先导发展路径的生成方法，包括以下步骤：步骤一：设定矩形仿真空间，其高度不低于3倍研究对象高度，离散化矩形仿真空间，在矩形仿真空间上表面选取若干点作为下行先导起始位置的备选点，考虑下行先导起始的随机性，每次模拟时随机选取一备选点为下行先导起始发展点，矩形仿真空间下表面电位设为零，上表面电位为雷云在此矩形仿真空间高度上所产生的电位分布，四周的电位分布按自上而下等梯度衰减确定，确定影响雷电发展轨迹的发展概率指数η；步骤二：将研究对象进行3D建模，并对研究对象所包含的各部分区域进行分类标号并设置不同的边界条件，编写对接程序，将其导入矩形仿真空间，根据研究对象设置可能发生的上行先导起始点，这些点称为热点；步骤三：根据下行先导内部场强分布确定下行先导头部电势，运用有限差分法离散化空间电势，结合超松弛迭代计算矩形仿真空间内每一步先导发展后的空间电势分布，根据先导发展WZ模型确定已发展点对每个待发展点的发展概率，再运用赌轮盘法确定最终的发展点，并记录此发展点；步骤四：根据上下行先导相接触或下行先导接触到研究对象作为雷电先导发展结束条件，如果先导满足结束条件，则该次先导发展结束，进入步骤五，否则返回步骤三；步骤五：将受雷击部位的坐标、雷击结束标志记录，至此得到一次完整雷击过程。进一步地，在步骤一中，矩形仿真空间上表面电位分布的计算方法如下所示：设原矩形仿真空间的高度为h0，另设置一个高度为2000m，长、宽与原矩形仿真空间相同的矩形空间二，此空间上表面电位等于雷云下表面电位，即-40MV，下表面电位为0，四周空间电位自上而下呈等梯度递减，离散化矩形空间二，采用超松弛迭代法，迭代计算全空间的电位分布，最后导出高度为h0的电位分布数据，将其作为原矩形仿真空间上表面的电位分布。进一步地，在步骤一中，影响雷电发展轨迹的发展概率指数η的确定方法如下所示：根据WZ模型，雷电发展概率指数η的选取影响着仿真出的雷电的发展轨迹，通过不断调整η的取值，平均每个η计算得到30个雷电轨迹图片，采用盒维数法对每个η下的雷电轨迹图进行分形维数的计算，再与自然雷电分形维数进行比较，一般自然雷电分形维数在1.1～1.4之间，通过不断调整发展概率系数η使其发展路径符合自然雷电的分形维数。进一步地，所述盒维数法指测量一条不规则的曲线或者不规则的曲面时，采用不用半径的盒子覆盖，当小盒子的尺寸不同时，需要的小盒子数量也不相同，现假设小盒子的半径为r，盒子的数量是N(r)，分形维数D按下式计算：基于盒维数法，通过MATLAB的FracLab工具箱来求取分形维数，其过程如下：首先对不同η下仿真的下行先导通道轨迹图片进行二值化处理，用设定的尺寸大小对图像进行分块处理，得到若干组不同半径r与对应的像素值为1的方块数量N(r)，对获得的一系列lnN(r)和ln(1/r)进行线性拟合，获得其斜率，该斜率即为分形维数。进一步地，在步骤三中，根据下行先导内部场强分布确定下行先导头部电势方法如下所示：将先导通道内的电场近似为匀强电场，大小为3～10kV/m，在下行先导经历第k+1次迭代后，先导头部电位按下式计算：U(k+1)＝U(k)-Ed式中：U(k+1)为下行先导经历第k+1次迭代后其头部的电位值；U(k)即为第k次迭代时的电位值；E为先导通道的电场大小，3kV/m≤E≤10kV/m；d为发展步长；其初始迭代值U(0)为下行先导发展的第一个点，对应于矩形仿真空间上表面一点的电位值。进一步地，在步骤三中，运用有限差分法和超松弛迭代计算空间电势分布的方法如下所示：首先将求解区域划分网格，在不考虑空间电荷的影响下，空间电位的分布满足拉普拉斯方程：对于网格化的求解区域，将其离散为：式中：上标n为第n次迭代；为第n+1次迭代后空间坐标为(i,j,k)处的电位；分别为该点周围的电位，h为网格边长；由于简单迭代法收敛速度慢，计算所耗费的时间过长，因此采用超松弛迭代法来计算电位分布，迭代公式改为：式中：w为松弛因子；n和n+1分别是迭代的第n次和第n+1次；设置迭代精度，当第n+1次迭代满足精度要求时，停止迭代，此时即得全空间的电势分布。进一步地，在步骤三中，根据WZ模型确定先导已发展点到待发展点的概率如下所示：首先选取已发展点(i,j)周围的26个格点，再判断这26个待发展点中是否有与之前的已发展点重合的情况，若有则将此点排除，由于在自然雷电的实际观测结果中并不常见到新生先导段往回发展的情况，所以将不符合的待发展点设为禁止发展点，剩下的待发展点才是应该考虑的有效待发展点；剩下的有效待发展点成为下一个已发展点的概率如下式所示：式中：P(i,j,k)→(i′,j′,k′)指已发展点(i,j,k)到待发展点(i′,j′,k′)的发展概率；E(i,j,k)→(i′,j′,k′)指已发展点(i,j,k)到待发展点(i′,j′,k′)之间的平均电场强度；Eth指放电阈值电场；η为发展概率系数；求出各个有效待发展点的概率后，通过构建(0～1)均匀分布随机数采取赌轮盘的方法确定新先导发展点的坐标，此即先导发展点选取的过程。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提出一种三维雷电先导发展路径的生成方法，具有如下优势：雷电作为一种强破坏性和威胁性的气候现象，其放电过程十分复杂，雷云对地的放电受到气象、地质和地形等许多自然条件的影响，带有很大的随机性，借助真实雷电对物体各部位的受雷击情况进行评估显得不切实际。虽然雷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维雷电先导发展路径的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：设定矩形仿真空间，其高度不低于3倍研究对象高度，离散化矩形仿真空间，在矩形仿真空间上表面选取若干点作为下行先导起始位置的备选点，考虑下行先导起始的随机性，每次模拟时随机选取一备选点为下行先导起始发展点，矩形仿真空间下表面电位设为零，上表面电位为雷云在此矩形仿真空间高度上所产生的电位分布，四周的电位分布按自上而下等梯度衰减确定，确定影响雷电发展轨迹的发展概率指数η；/n步骤二：将研究对象进行3D建模，并对研究对象所包含的各部分区域进行分类标号并设置不同的边界条件，编写对接程序，将其导入矩形仿真空间，根据研究对象设置可能发生的上行先导起始点，这些点称为热点；/n步骤三：根据下行先导内部场强分布确定下行先导头部电势，运用有限差分法离散化空间电势，结合超松弛迭代计算矩形仿真空间内每一步先导发展后的空间电势分布，根据先导发展WZ模型确定已发展点对每个待发展点的发展概率，再运用赌轮盘法确定最终的发展点，并记录此发展点；/n步骤四：根据上下行先导相接触或下行先导接触到研究对象作为雷电先导发展结束条件，如果先导满足结束条件，则该次先导发展结束，进入步骤五，否则返回步骤三；/n步骤五：将受雷击部位的坐标、雷击结束标志记录，至此得到一次完整雷击过程。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三维雷电先导发展路径的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设定矩形仿真空间，其高度不低于3倍研究对象高度，离散化矩形仿真空间，在矩形仿真空间上表面选取若干点作为下行先导起始位置的备选点，考虑下行先导起始的随机性，每次模拟时随机选取一备选点为下行先导起始发展点，矩形仿真空间下表面电位设为零，上表面电位为雷云在此矩形仿真空间高度上所产生的电位分布，四周的电位分布按自上而下等梯度衰减确定，确定影响雷电发展轨迹的发展概率指数η；
步骤二：将研究对象进行3D建模，并对研究对象所包含的各部分区域进行分类标号并设置不同的边界条件，编写对接程序，将其导入矩形仿真空间，根据研究对象设置可能发生的上行先导起始点，这些点称为热点；
步骤三：根据下行先导内部场强分布确定下行先导头部电势，运用有限差分法离散化空间电势，结合超松弛迭代计算矩形仿真空间内每一步先导发展后的空间电势分布，根据先导发展WZ模型确定已发展点对每个待发展点的发展概率，再运用赌轮盘法确定最终的发展点，并记录此发展点；
步骤四：根据上下行先导相接触或下行先导接触到研究对象作为雷电先导发展结束条件，如果先导满足结束条件，则该次先导发展结束，进入步骤五，否则返回步骤三；
步骤五：将受雷击部位的坐标、雷击结束标志记录，至此得到一次完整雷击过程。


2.根据权利要求1所述的一种三维雷电先导发展路径的生成方法，其特征在于：在步骤一中，矩形仿真空间上表面电位分布的计算方法如下所示：
设原矩形仿真空间的高度为h0，另设置一个高度为2000m，长、宽与原矩形仿真空间相同的矩形空间二，此空间上表面电位等于雷云下表面电位，即-40MV，下表面电位为0，四周空间电位自上而下呈等梯度递减，离散化矩形空间二，采用超松弛迭代法，迭代计算全空间的电位分布，最后导出高度为h0的电位分布数据，将其作为原矩形仿真空间上表面的电位分布。


3.根据权利要求1所述的一种三维雷电先导发展路径的生成方法，其特征在于：在步骤一中，影响雷电发展轨迹的发展概率指数η的确定方法如下所示：
根据WZ模型，雷电发展概率指数η的选取影响着仿真出的雷电的发展轨迹，通过不断调整η的取值，平均每个η计算得到30个雷电轨迹图片，采用盒维数法对每个η下的雷电轨迹图进行分形维数的计算，再与自然雷电分形维数进行比较，一般自然雷电分形维数在1.1～1.4之间，通过不断调整发展概率系数η使其发展路径符合自然雷电的分形维数。


4.根据权利要求3所述的一种三维雷电先导发展路径的生成方法，其特征在于：所述盒维数法指测量一条不规则的曲线或者不规则的曲面时，采用不用半径的盒子覆盖，当小盒子的尺寸不同时，需要的小盒子数量也不相同，现假设小盒子的半径为r，盒子的数量是N(r)，分形维数D按下式计算：



基于盒维数法，通过MATLAB的FracLab工具箱来求取分形维数，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭俊，王帮勇，郝雪兆，张旭东，谢彦召，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61