雷电电磁场FDTD分析

论文摘要

本文通过对影响电磁环境的自然雷电进行建模,研究了雷电放电过程中电磁辐射（LEMP）场强的理论计算和数值计算方法,并实现了雷电电磁场的计算,模拟了雷电电磁场的分布规律。主要研究内容包括以下方面。在雷电流建模方面,首先探讨了自然雷电的形成,然后对雷电回击电流的六种工程模型进行了计算和讨论,阐述了各种模型的特点,确定本文研究模型为MTLL工程模型,并给出了MTLL模型的基电流和雷电流波形及其表达式。在雷电电磁场的理论计算方面,采用Quasi-Images算法和偶极子方法。运用这两种方法,详细讨论了垂直放电通道的麦克斯韦方程组的求解过程。通过建立雷电偶极子模型,得到了空间任意场点的水平电场Er、垂直电场E z和切向磁场Bφ的微分表达式。对于地面场点则直接导出了E z和Bφ的解析公式。在雷电电磁场的数值计算方面,通过在时间和空间上对雷电流进行离散,运用有限差分时域（FDTD）法对雷电放电空间进行离散,得到了整个空间的雷电电磁场强度。并通过误差曲线,对偶极子算法及数值算法的误差以及各自的优缺点进行了对比分析,结果说明数值方法的计算结果与精确的解析解是一致的。此外,本文还研究了回击速度、通道高度和大地电容率等参数对雷电回击电磁场的影响。并初步探讨了雷电电磁脉冲对电子设备的危害及其防护措施。最后,对本文的研究工作进行了总结,指出了本文研究的主要内容,即:找到一种数值计算方法,即时域有限差分法求解雷电空间任意场点的电磁场;并与偶极子算法进行比较分析,证明了该算法的正确性和有效性。在此基础上,初步分析了回击速度、通道高度和大地电导率等参数对雷电回击电磁场的影响。此外,本文还提出了进一步研究中亟待解决的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 雷电流模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 雷电的形成
• 2.3 雷电回击电流模型
• 2.4 电流模型的比较
• 2.5 本章小结
• 3 雷电电磁场的理论计算方法
• 3.1 引言
• 3.2 Quasi-Images 算法求解雷电波电磁场
• 3.3 用偶极子方法求解雷电波电磁场
• 3.4 偶极子方法数值计算结果
• 3.5 本章小结
• 4 时域有限差分算法
• 4.1 引言
• 4.2 FDTD 法的基本方程
• 4.3 FDTD 法的数值稳定性
• 4.4 FDTD 法的数值色散特性
• 4.5 FDTD 法的吸收边界条件
• 4.6 自由空间的安培定理和法拉第定理
• 4.7 数值算例
• 4.8 本章小结
• 5 雷电电磁场的数值计算方法
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型
• 5.3 电磁场离散参数设置
• 5.4 整个雷电空间电磁场的数值计算
• 5.5 FDTD 算法计算结果
• 5.6 两种方法的计算结果比较与误差分析
• 5.7 雷电回击参数对电磁场计算的影响
• 5.8 电磁场峰值变化规律
• 5.9 雷电辐射功率的计算
• 5.10 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文