基于网格计算的雷电电磁环境仿真

【摘要】：网格计算(Grid Computing)是一种计算机分布式计算环境,在此基础上实现电磁环境的实时计算和仿真对构建基于Internet/Intranet 的分布式动态仿真支撑平台具有重要的作用。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,并在网格计算环境中实现了雷电电磁场的计算,模拟了雷电电磁场的分布规律。主要研究内容包括如下五个方面。 在雷电流建模方面,首先探讨了自然雷电的形成和特征,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,重点对Diendorfer-Uman(DU)模型进行了研究,提出了DU 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,提出了两种方法,即时域中的偶极子方法和频域中的时变场方法。运用这两种方法,详细讨论了垂直放电通道、斜向通道、弯曲通道和通道分支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Ez和切向磁场Bφ的微分表达式。对于地面场点则直接导出了Ez 和Bφ的解析公式。通过对时变场中瞬态的雷电流波形进行傅里叶级数展开和周期延拓,得到了频域中的雷电电磁场的解析公式。此外,本文还提出了雷电辐射功率的计算方法。 在雷电电磁场的数值计算方面,以理论计算方法为基础,研究了雷电空间任意场点的电磁场的数值计算方法。通过在时间和空间上对雷电流进行离散,得到了偶极子方法的数值解法,通过在时间上对雷电流进行离散得到了时变场方法的数值解法。运用有限差分时域(FDTD)法对雷电放电空间进行离散,得到了整个自由空间的场强。对这两种数值方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,本文还研究了弯曲通道和分支通道的数值方法,以及回击速度、通道高度和大地电容率等参数对雷电回击电磁场的影响。 在网格计算方面,对网格计算的应用背景,体系结构进行了阐述,重点对网