雷电回击放电数值模拟关键技术研究

The typicle electric current of lightning return stroke channel has peak value of hundrads of thousands of ampere and the rise time is tens of thousands ampere per second. There are complicated radiative electromagnetic hydrodynamic processes in the return stroke channel, which excite voilent thermal effects, shock wave effects and electromagnetic radiative effects. These effects pose grave threats to power, energy, communication, traffic, aerospace and national defense. Accurately building the physical model of radiative electromagnetic hydrodynamic processes in the return stroke channel and designing efficient numerical scheme are key problems of lightning physical research and efficient lightning protection design. This project first use a combination of electrodynamics of continuous media, radiation transfer theory, anisotropic thermodynamics and kinetic theory of nonequilibrium statistical mechanics to build the physical model of return stroke channel，which includs electromagnetic hydrodynamics model, equations of state and radiation transfer model. Based on the physical model, this project develop a numerical simulation package which consists of radiation magneto-hydrodynamcis finite difference method, hybrid lattice boltzmann and finite-difference time-domain method, and PIC (particle in cell) method to simulate the return stroke channel. Based on the numerical simulation package, a series of numerical experiments will be done. Then this project make sure the affects from gravity, crosswind, magnetic field, electric resistance, radiative transport and anisotropic thermal conductivity to the evolutions of return stroke channel. This project could offers scientific basis for efficient lightning protection design.

典型雷电回击通道峰值电流高达几十万安培，电流上升率达每微秒几万安培。伴随强瞬态电流，回击通道中会发生极复杂的辐射电磁流体过程，并产生剧烈的热效应、冲击波效应和电磁辐射效应，对电力、能源、通信、交通、航空航天及国防等造成重大威胁。如何建立正确的雷电回击通道理论模型并设计稳定、高效、泛用的数值模拟计算格式是制约雷电物理研究与设计高效雷电防护方案的关键问题。本课题首次综合运用连续介质电动力学、辐射输运理论、热力学和非平衡态统计力学动理学理论，对雷电回击通道进行细致地理论建模（电磁流体模型、物态模型与辐射输运模型）。在此基础上，研制以辐射磁流体有限差分模拟为主体，以混合格子玻尔兹曼与时域有限差分模拟和PIC（particle in cell）模拟为辅助研究工具的数值模拟计算包。进而通过数值实验确定重力、横风、磁场、电阻、辐射输运及各向异性热导等因素对回击通道演化的影响。

作为近地球表面空间中一种常见的极端自然放电现象，雷电回击放电过程对电力电子网络、化石能源储运、全球通信、交通运输、航空航天、军事国防以及人身安全等均造成了极大的威胁。这种威胁源于峰值高达几十至几百千安培，上升时间约为几十千安培每微秒的极端强脉冲电流在雷电回击通道周围激励起的剧烈的热耗散效应、电动力效应、磁感应效应、辐射输运效应和强激波效应等。经过合理近似，雷电放电现象可以通过等离子体理论来描述。由于等离子体现象本身的强非线性，很难通过解析方法来得到有泛用意义的结果，且通过线性化分析方法得到的结果具有很大的局限性。数值模拟是研究复杂物理现象的一个有效途径。本课题在等离子体物理学的理论框架下，综合运用连续介质电动力学、辐射输运理论、热力学和非平衡态统计力学，建立了雷电回击放电物理模型，包括用于描述宏观动力学效应的电磁流体方程组，用于描述雷电回击通道物性的物态方程，以及描述热辐射效应的辐射输运方程。基于所构建的物理模型，本课题研制了以守恒型辐射磁流体有限体积法为主体的雷电回击放电数值模拟框架，同时开发了混合格子玻尔兹曼-时域有限差分技术作为补充工具用于模拟放电产生的弱电离等离子体，还尝试构造了保结构的电磁流体变分算法以期望在等离子体模拟中得到更好的长期稳定性。利用所构造的雷电回击放电数值模拟框架，本课题对雷电回击放电现象中的若干物理问题进行了系统的研究，包括雷电回击通道周围弓激波的产生原因与演化规律，雷电回击放电过程中通道等离子体的Rayleigh-Taylor不稳定性的产生原因与演化规律等。作为本课题的衍生研究，所开发的数值工具及其延伸在工程电磁兼容的其它方向也得到了应用，包括雷电准稳态电流对碳纤维复合材料破坏效应的数值模拟，频率选择面的数值模拟，表面等离激元的数值模拟等。本课题研究为雷电物理学及相关领域的研究提供了一种强有力的数值工具。