基于FDTD的雷電電磁環(huán)境評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)域有限差分法(FDTD)，研究了雷電電磁環(huán)境評(píng)估的新方法，并開(kāi)發(fā)出軟件，投入本地業(yè)務(wù)應(yīng)用，該軟件也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用建筑物雷電電磁環(huán)境評(píng)估軟件的空白，對(duì)該領(lǐng)域的深入研究有著重要的參考價(jià)值。

雷電；電磁環(huán)境；FDTD；評(píng)估；軟件

1 引言

近年來(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷和癱瘓會(huì)造成不可估量的直接與間接的巨大經(jīng)濟(jì)損失和影響[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)在這方面的研究主要是采用國(guó)外開(kāi)發(fā)的一些成熟軟件，如CDEGS、IES等，來(lái)進(jìn)行一些雷電電磁環(huán)境分析[4-7]。這些軟件對(duì)硬件的要求高，建模的過(guò)程復(fù)雜，運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足正常業(yè)務(wù)工作的需求。研究一種簡(jiǎn)單、快捷的直擊雷情況下的電磁環(huán)境評(píng)估方法很有必要，也迫在眉睫。本文正是從這種思路來(lái)進(jìn)行新方法的研究和軟件開(kāi)發(fā)。

2 理論與方法介紹

時(shí)域有限差分法(FDTD)在電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中占有重要的地位。本文主要采用FDTD對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究。

在FDTD方法中，時(shí)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(zhǎng)度必須小于波長(zhǎng)(一般限制在最短波長(zhǎng)的1/10)。激勵(lì)源可以在FDTD的計(jì)算空間中任意位置引入。在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，電壓或者電流源的值從給定的波形輸入再疊加到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)上，周圍網(wǎng)格的電磁場(chǎng)的值則會(huì)在計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)更新和傳播。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與整理能夠算出在不同情況下目標(biāo)位置產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)，從而得到更加準(zhǔn)確的電磁環(huán)境評(píng)估結(jié)論，為進(jìn)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(jìn)意見(jiàn)提供依據(jù)。

在FDTD的模擬仿真試驗(yàn)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(xiàn)[9]記載，波形的上限頻率不到1 MHz，對(duì)應(yīng)的最短波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)

3.1 軟件功能?？?/p>

基于研究項(xiàng)目的特征，系統(tǒng)采用基于組件的二次開(kāi)發(fā)模式，鑒于.Net框架強(qiáng)大的功能和C#的高效性、健壯性，充分考慮到系統(tǒng)對(duì)時(shí)效、穩(wěn)定性的高要求，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用MS C#.NET。軟件總體開(kāi)發(fā)路線為.NET+C#+Winform，其中主要有以下幾個(gè)功能模塊：

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

圖1 評(píng)估對(duì)象模型示意圖Fig.1 Diagram of a building model

圖2 評(píng)估對(duì)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(jìn)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算建立后臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)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(píng)估的前置條件，運(yùn)用FDTD進(jìn)行仿真計(jì)算，最終給出評(píng)估位置的電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、磁場(chǎng)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(jìn)入軟件首頁(yè)，點(diǎn)擊“開(kāi)始評(píng)估”按鈕進(jìn)入評(píng)估軟件。軟件首頁(yè)如圖6所示：

圖6 電磁評(píng)估軟件首頁(yè)Fig.6 Front cover of software

當(dāng)使用者選擇常規(guī)模型評(píng)估時(shí)，軟件可根據(jù)設(shè)定的前置條件快速讀取數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而當(dāng)使用者選擇自選模型評(píng)估時(shí)，依次對(duì)建筑物模型、場(chǎng)采樣坐標(biāo)、電流采樣坐標(biāo)、沖擊電流共4個(gè)參數(shù)化模塊進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)軟件運(yùn)算，最終給出本次評(píng)估中對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)的電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化曲線，同時(shí)給出對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)水平層面的磁場(chǎng)分布圖供使用者進(jìn)行分析，相關(guān)產(chǎn)品示例見(jiàn)圖7～圖8。

圖7 電流隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curves of current

圖8 電場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curves of electric-field

4 結(jié)果分析及比對(duì)

4.1 算法比對(duì)

本研究對(duì)比了當(dāng)雷擊點(diǎn)在塔頂部，地下的接地沒(méi)有做延伸處理時(shí)，F(xiàn)DTD與加拿大SES公司開(kāi)發(fā)的電磁計(jì)算軟件CDEGS的仿真結(jié)果，證明本研究算法的準(zhǔn)確性。圖9中綠色的線表示這種情況下測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)變化。可以看到磁場(chǎng)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(chǎng)計(jì)算波形Fig.9 Magnetic field waveform in CDEGS

圖10 FDTD 計(jì)算出的磁場(chǎng)波形Fig.10 Magnetic field waveform in FDTD

圖10是FDTD計(jì)算的測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)變化。兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)峰值強(qiáng)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?yàn)樗?0 m，而1.5 MHz的共振頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的1/4正好是50 m，這符合基本的天線理論。CDEGS的震蕩相對(duì)FDTD來(lái)說(shuō)持續(xù)時(shí)間略長(zhǎng)，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(rèn)為，CDEGS是在分立的頻率點(diǎn)上計(jì)算，一共是96個(gè)頻率點(diǎn)，從頻域反傅立葉變換到時(shí)域，本身會(huì)引起一些波動(dòng)。

通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DTD的計(jì)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(duì)

IES的高頻軟件采用了強(qiáng)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(wèn)題。國(guó)內(nèi)已有單位引進(jìn)該軟件用于建筑物內(nèi)部暫態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算，下面將用其同樣的前置條件計(jì)算，進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，如表1所示：

表1 IES軟件與本軟件仿真結(jié)果比對(duì)

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

5 結(jié)論與展望

我們利用開(kāi)發(fā)的雷電電磁環(huán)境軟件進(jìn)行建模分析，并與CDEGS、IES等軟件進(jìn)行了比對(duì)，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(xiǎn)評(píng)估的日常業(yè)務(wù)應(yīng)用中。今后，我們?nèi)源蛩憬⒑?jiǎn)單的實(shí)物模型，采用實(shí)驗(yàn)室沖擊雷電流測(cè)真實(shí)值與同等條件下的仿真值相比對(duì)的方法，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)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(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用工作，E-mail：cairanyoyo@126.com。

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目JCYJ20140731143503817：基于城市綜合觀測(cè)的雷電發(fā)生機(jī)理研究及戒備服務(wù)應(yīng)用。

TP311.52

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