蔡 然，郭宏博，陸 濤，劉敦訓(xùn)，張 峻

(1.廣東省深圳市氣象服務(wù)中心，廣東 深圳 518000；2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系)

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基于FDTD的雷電電磁環(huán)境評估軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

蔡 然1，郭宏博1，陸 濤2，劉敦訓(xùn)1，張 峻1

(1.廣東省深圳市氣象服務(wù)中心，廣東 深圳 518000；2.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系)

該文采用時域有限差分法(FDTD)，研究了雷電電磁環(huán)境評估的新方法，并開發(fā)出軟件，投入本地業(yè)務(wù)應(yīng)用，該軟件也填補了國內(nèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用建筑物雷電電磁環(huán)境評估軟件的空白，對該領(lǐng)域的深入研究有著重要的參考價值。

雷電；電磁環(huán)境；FDTD；評估；軟件

1 引言

近年來因雷電電磁脈沖引起損壞的系統(tǒng)及設(shè)備大幅上升，雷電電磁脈沖不僅造成設(shè)備永久性損壞，重要的是計算機系統(tǒng)中斷和癱瘓會造成不可估量的直接與間接的巨大經(jīng)濟損失和影響[1-3]。目前，國內(nèi)在這方面的研究主要是采用國外開發(fā)的一些成熟軟件，如CDEGS、IES等，來進行一些雷電電磁環(huán)境分析[4-7]。這些軟件對硬件的要求高，建模的過程復(fù)雜，運行的時間長，不能滿足正常業(yè)務(wù)工作的需求。研究一種簡單、快捷的直擊雷情況下的電磁環(huán)境評估方法很有必要，也迫在眉睫。本文正是從這種思路來進行新方法的研究和軟件開發(fā)。

2 理論與方法介紹

時域有限差分法(FDTD)在電磁場數(shù)值計算中占有重要的地位。本文主要采用FDTD對上述問題進行研究。

在FDTD方法中，時間和空間都被離散劃分。空間被劃分成箱形的單元，這些單元的長度必須小于波長(一般限制在最短波長的1/10)。激勵源可以在FDTD的計算空間中任意位置引入。在每個時間節(jié)點，電壓或者電流源的值從給定的波形輸入再疊加到對應(yīng)的網(wǎng)格的電場或者磁場上，周圍網(wǎng)格的電磁場的值則會在計算過程中自動更新和傳播。通過對仿真結(jié)果的統(tǒng)計與整理能夠算出在不同情況下目標位置產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場，從而得到更加準確的電磁環(huán)境評估結(jié)論，為進一步分析此條件下各種精密設(shè)備的易受損程度等，提出改進意見提供依據(jù)。

在FDTD的模擬仿真試驗中，網(wǎng)格精度越小，仿真結(jié)果精確度越高[8]。本研究采用的模擬雷電流為8/20和10/350波形，根據(jù)文獻[9]記載，波形的上限頻率不到1 MHz，對應(yīng)的最短波長的十分之一也有40 m。而在本研究中模擬的空間網(wǎng)格是0.5 m。足夠表征雷電流的特征。

3 軟件的實現(xiàn)

3.1 軟件功能?？?/p>

基于研究項目的特征，系統(tǒng)采用基于組件的二次開發(fā)模式，鑒于.Net框架強大的功能和C#的高效性、健壯性，充分考慮到系統(tǒng)對時效、穩(wěn)定性的高要求，開發(fā)語言采用MS C#.NET。軟件總體開發(fā)路線為.NET+C#+Winform，其中主要有以下幾個功能模塊：

①電磁環(huán)境評估對象參數(shù)控制模塊，可以根據(jù)被評估對象的長、寬、高以及房間數(shù)量、樓層間距等參數(shù)設(shè)定仿真計算模型。如圖1、圖2所示。

圖1 評估對象模型示意圖Fig.1 Diagram of a building model

圖2 評估對象參數(shù)控制界面Fig.2 Geometric parameters input interface of building model

②雷電流特性控制模塊，可根據(jù)沖擊雷電流的波形及幅值進行不同的選擇，選擇界面如圖3所示。

圖3 雷電流特性控制界面Fig.3 Lighting current definition interface

③后臺數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過多次計算建立后臺存儲數(shù)據(jù)庫，使用者可根據(jù)條件快速讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫資料讀取界面Fig.4 Data export interface

④圖形顯示及處理模塊，根據(jù)評估的前置條件，運用FDTD進行仿真計算，最終給出評估位置的電流、電場、磁場、磁場空間分布等產(chǎn)品。如圖5所示。

圖5 電磁環(huán)境水平分布圖(單位：A/m)Fig.5 Magnetic field intensity magnitude distribution through a plane

3.2 軟件仿真產(chǎn)品

首先，進入軟件首頁，點擊“開始評估”按鈕進入評估軟件。軟件首頁如圖6所示：

圖6 電磁評估軟件首頁Fig.6 Front cover of software

當使用者選擇常規(guī)模型評估時，軟件可根據(jù)設(shè)定的前置條件快速讀取數(shù)據(jù)庫內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而當使用者選擇自選模型評估時，依次對建筑物模型、場采樣坐標、電流采樣坐標、沖擊電流共4個參數(shù)化模塊進行設(shè)定，通過軟件運算，最終給出本次評估中對應(yīng)采集點的電流、電場、磁場隨時間的變化曲線，同時給出對應(yīng)采集點水平層面的磁場分布圖供使用者進行分析，相關(guān)產(chǎn)品示例見圖7～圖8。

圖7 電流隨時間變化曲線Fig.7 Curves of current

圖8 電場隨時間變化曲線Fig.8 Curves of electric-field

4 結(jié)果分析及比對

4.1 算法比對

本研究對比了當雷擊點在塔頂部，地下的接地沒有做延伸處理時，F(xiàn)DTD與加拿大SES公司開發(fā)的電磁計算軟件CDEGS的仿真結(jié)果，證明本研究算法的準確性。圖9中綠色的線表示這種情況下測量點的磁場變化。可以看到磁場峰值不到5 000 A/M。 共振頻率在1.5 MHz左右。

圖9 CDEGS中的磁場計算波形Fig.9 Magnetic field waveform in CDEGS

圖10 FDTD 計算出的磁場波形Fig.10 Magnetic field waveform in FDTD

圖10是FDTD計算的測量點的磁場變化。兩者對比發(fā)現(xiàn)峰值強度比較一致，震蕩頻率也是接近1.5 MHz。5 μs內(nèi)震蕩了7～8次。 這是因為塔高50 m，而1.5 MHz的共振頻率對應(yīng)的波長的1/4正好是50 m，這符合基本的天線理論。CDEGS的震蕩相對FDTD來說持續(xù)時間略長，一直持續(xù)到10 μs以后，而FDTD的結(jié)果只震蕩到5 μs左右。這里認為，CDEGS是在分立的頻率點上計算，一共是96個頻率點，從頻域反傅立葉變換到時域，本身會引起一些波動。

通過比對發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DTD的計算結(jié)果與CDEGS軟件自帶的結(jié)果有良好的一致性，證明了本研究的理論及算法的正確性。

4.2 仿真結(jié)果比對

IES的高頻軟件采用了強大的矩量法(MOM)、有限元法(FEM)與物理光學(xué)(PO)理論，全面解決高頻領(lǐng)域內(nèi)的各種問題。國內(nèi)已有單位引進該軟件用于建筑物內(nèi)部暫態(tài)磁場計算，下面將用其同樣的前置條件計算，進行結(jié)果比對，如表1所示：

表1 IES軟件與本軟件仿真結(jié)果比對

通過表1可以看到，兩個軟件在電流值方面表現(xiàn)出較好的一致性，但磁場強度本軟件的值偏小，主要原因是由于IES軟件默認每層樓之間僅有外環(huán)導(dǎo)線相連，而本軟件認為樓層與樓層之間應(yīng)有層板隔開，金屬層板的屏蔽作用致使磁場大幅減小[10]。

5 結(jié)論與展望

我們利用開發(fā)的雷電電磁環(huán)境軟件進行建模分析，并與CDEGS、IES等軟件進行了比對，具有較好的一致性，現(xiàn)在該軟件已投入深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的日常業(yè)務(wù)應(yīng)用中。今后，我們?nèi)源蛩憬⒑唵蔚膶嵨锬Ｐ?，采用實驗室沖擊雷電流測真實值與同等條件下的仿真值相比對的方法，進一步驗證仿真結(jié)果的準確性。

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Design and implementation of the lightning electromagnetic environment evaluation software based on FDTD

CAI Ran1,GUO Hongbo1，LU Tao2,LIU Dunxun1,ZHANG Jun1

(1．Shenzhen Meteorological Service Center， Shenzhen 518000, China; 2.Department of Building Services Engineering，the Hong Kong Polytechnic University，Hung Hom，Kowloon，Hong Kong，China)

The finite-difference time-domain (FDTD) was adopted to explore a new method for lightning electromagnetic environment assessment. A software was developed, which was applied in local evaluation services. This software fills the vacancy of business application software, providing great reference on this area.

lightning; electromagnetic environment;FDTD; assessment; software

1003-6598(2016)05-0069-04

2016-06-01

蔡然(1987—)，工程師，主要從事雷電防護技術(shù)研究與應(yīng)用工作，E-mail：cairanyoyo@126.com。

深圳市科技計劃項目JCYJ20140731143503817：基于城市綜合觀測的雷電發(fā)生機理研究及戒備服務(wù)應(yīng)用。

TP311.52

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