一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法技術

本發明專利技術公開了一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，包括以下步驟：(1)利用有限差分方法求出建筑物大氣電場的畸變系數；有限差分方法具體方法如下：對所研究的空間模擬域離散化，并使用所述有限差分方程代替微分方程，在網格離散化后進行均勻得劃分，用于對數據進行處理，求出離散化后的空間范圍內每一個格點的電位值；(2)對有限差分方程進行求解，對空間模擬域的網格進行剖分，對解決空間模擬域電磁進行計算，選擇迭代因子，然后求出建筑物大氣電場的畸變系數。本發明專利技術通過對建筑物大氣電場的畸變效應進行數值模擬，從而可以對大氣電場儀的實際測量值進行修訂，能夠提高雷電監測預警的準確性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，屬于雷電監測預警

技術介紹
雷暴是指積雨云中發生的雷電交作的激烈放電現象，作為一種局地強對流天氣現象，常與暴雨、大風、冰雹、龍卷風等災害性天氣聯系在一起，近年來，關于雷電對人民生命財產安全構成算嚴重的威脅，因此雷暴監測預警工作尤為重要。大氣電場儀是雷暴監測預警系統的重要組成部分，由于大氣電場儀安裝的位置周圍有建筑物存在，建筑物對大氣電場具有一定的畸變效應，因此需要對建筑物大氣電場的畸變效應進行研究，從而對大氣電場儀的安裝位置進行場地修訂，能夠提高雷電監測預警的準確性。就目前，對建筑物參數不同針對大氣電場畸變效應數值的影響的相關研究較少，且不夠完善、系統，急需對相關的內容進行研究，得到完善的結論，能夠有效地對大氣電場儀的修訂以及對雷暴檢測預警工作的展開提供科學指導。
技術實現思路
針對現有技術存在的不足，本專利技術目的是提供一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，通過對建筑物大氣電場的畸變效應進行數值模擬，以便能夠對大氣電場儀的測量數據進行修訂，能夠提高雷電監測預警的準確性。為了實現上述目的，本專利技術是通過如下的技術方案來實現：本專利技術的一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，包括以下步驟：(1)利用有限差分方法求出建筑物大氣電場的畸變系數，用于對大氣電場儀的實際測量值進行修訂；所述有限差分方法具體方法如下：對所研究的空間模擬域進行離散化處理，滿足泊松方程的二維電場基本表達式如下：式中，ρ為所研究區域的自由電荷密度值，ε為介電常數，為所研究區域的電勢；如果所研究的空間模擬域內沒有自由電荷的影響下，上述公式中取ρ＝0，則上述泊松方程就等效成拉普拉斯方程：然后將上述等效后的拉普拉斯方程寫成在直角坐標系的表達形式：然后采用五點差分的格式，對所研究的空間模擬域進行離散化處理，假設在空間尺度上x和y方向上的網格部分的步長均相等，步長值均為h,因子所模擬的空間場域內的差分方程表達式為：其中，i為x方向的格點數，j為y方向的格點數；如i＝1即x方向的第1個格點，j＝2即y方向的第2個格點；然后，將方程(2)和(3)公式帶入差分后的方程(4)中得到：最后，考慮建筑物所在的空間模擬區域的一系列邊界條件，對方程(5)計算，就可以求出離散化后的空間范圍內每一個格點的電位值；(2)對每一個格點的電位值進行計算，在計算的過程中，i,j是按照從小到大的原則進行計算的，然后進行迭代，迭代到設定的一個空間位置時，計算出新的對方程(5)采用超松弛迭代算法，并將方程改寫成：其中，n為迭代次數，ω為超松弛迭代因子，利用方程(6)就可以計算出，整個空間模擬域內的每一個格點上的電位值，然后通過所求出的電位值計算出格點上的電場強度，電場強度與電位之間的關系表達式為：即電場強度等于負的電位的梯度；將格點上的電場強度值與所研究的空間模擬域的背景電場值之比，即畸變系數。步驟(1)中，模擬域的上邊界以及左右邊界滿足Neumann邊界條件，地面以及建筑物表面滿足Dirichlet邊界條件。上述超松弛迭代因子ω的取值為1<ω<2。與現有技術相比，本專利技術具有的有益效果是：通過有限差分方法分別研究單個建筑物的高度、寬度以及多個建筑物的高度、寬度對大氣電場畸變效應的數值模擬，并求出畸變系數，用于對大氣電場儀的實際測量值進行修訂，能夠提高雷電監測預警的準確性。附圖說明圖1為本專利技術的結構框圖；圖2為模擬域空間結構圖；圖3(a)為建筑物高度為20m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖3(b)為建筑物高度為25m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖3(c)為建筑物高度為30m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖3(d)為建筑物高度為35m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖4為建筑物不同高度下的畸變系數以及線性擬合結果；圖5(a)為建筑物寬度取值為5m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖5(b)為建筑物寬度取值為7m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖5(c)為建筑物寬度取值為9m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖5(d)為建筑物寬度取值為11m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖6為建筑物不同寬度下的畸變系數以及線性擬合結果；圖7(a)為大氣電場儀安裝位于距離建筑物建取值為2m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖7(b)為大氣電場儀安裝位于距離建筑物建取值為4m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖7(c)為大氣電場儀安裝位于距離建筑物建取值為8m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖7(d)為大氣電場儀安裝位于距離建筑物建取值為16m時對大氣電場畸變效應模擬結果；圖8地面電場儀安裝位置與建筑物之間不同距離下的畸變系數以及線性擬合結果；圖9(a)大氣電場儀安裝在高度分別為35m、45m，寬度分別為10m、10m的兩個建筑物建之間時大氣電場畸變效應模擬結果；圖9(b)大氣電場儀安裝在高度分別為35m、70m，寬度分別為10m、10m的兩個建筑物建之間時大氣電場畸變效應模擬結果；圖9(c)大氣電場儀安裝在高度分別為35m、45m，寬度分別為10m、6m的兩個建筑物建之間時大氣電場畸變效應模擬結果；圖9(d)大氣電場儀安裝在高度分別為35m、70m，寬度分別為10m、6m的兩個建筑物建之間時大氣電場畸變效應模擬結果；圖10(a)為大氣電場儀安裝在復雜度低的不規則建筑物旁邊時大氣電場畸變效應模擬結果；圖10(b)為大氣電場儀安裝在復雜度高的不規則建筑物旁邊時大氣電場畸變效應模擬結果。具體實施方式為使本專利技術實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本專利技術。本專利技術在研究建筑物對大氣電場造成的畸變效應研究時，需要求出其畸變系數表示為求出的格點上的電場強度值與所研究的空間模擬域的背景電場值的比值。提供一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值，通過對建筑物大氣電場的畸變效應進行數值模擬，以便能夠對大氣電場儀的實際測量結果進行修訂。參見圖1，有限差分的方法最主要的思想就是將所研究的空間模擬域進行離散化處理，本專利技術可以使用有限差分對此類電磁學問題進行求解。滿足泊松方程的二維電場基本表達式如下：式中，ρ為所研究區域的自由電荷密度值，ε為介電常數，為所研究區域的電勢。如果所研究的空間模擬域內沒有自由電荷的影響下，上述公式中取ρ＝0，則上述泊松方程就等效成拉普拉斯方程：然后將上述等效后的拉普拉斯方程寫成在直角坐標系的表達形式：對于二維問題，本文然后采用五點差分的格式，對所研究的空間模擬域進行離散化處理，本文假設在空間尺度上x和y方向上的網格剖分的步長均相等，步長值均為h,因子所模擬的空間場域內的差分方程表達式為：然后將方程(2)和(3)公式帶入差分后的方程(4)中得到：最后在考慮建筑物所在的空間模擬區域的一些列邊界條件，對方程(5)計算，就可以求出離散化后的空間范圍內每一個格點的電位值。本專利技術在對大氣電場畸變效應的計算工程中，對模擬的空間場域進行了離散劃分，然后對每一個格點的電場值進行計算，在計算的過程中，i,j是按照從小到大的原則進行計算的，然后進行迭代，迭代到某一個空間位置時，計算出新的對方程(5)采用超松弛迭代算法，并將方程改寫成：為了保證計算過程中迭代的收斂性，通常對超松弛迭代因本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)利用有限差分方法求出建筑物大氣電場的畸變系數，用于對大氣電場儀的實際測量值進行修訂；所述有限差分方法具體方法如下：對所研究的空間模擬域進行離散化處理，滿足泊松方程的二維電場基本表達式如下：式中，ρ為所研究區域的自由電荷密度值，ε為介電常數，為所研究區域的電勢；如果所研究的空間模擬域內沒有自由電荷的影響下，上述公式中取ρ＝0，則上述泊松方程就等效成拉普拉斯方程：然后將上述等效后的拉普拉斯方程寫成在直角坐標系的表達形式：然后采用五點差分的格式，對所研究的空間模擬域進行離散化處理，假設在空間尺度上x和y方向上的網格部分的步長均相等，步長值均為h,因子所模擬的空間場域內的差分方程表達式為：其中，i為x方向的格點數，j為y方向的格點數；然后，將方程(2)和(3)公式帶入差分后的方程(4)中得到：最后，考慮建筑物所在的空間模擬區域的邊界條件，對方程(5)計算，就可以求出離散化后的空間范圍內每一個格點的電位值；(2)對每一個格點的電位值進行計算，在計算的過程中，i,j是按照從小到大的原則進行計算的，然后進行迭代，迭代到設定的一個空間位置時，計算出新的對方程(5)采用超松弛迭代算法，并將方程改寫成：其中，n為迭代次數，ω為超松弛迭代因子，利用方程(6)就可以計算出，整個空間模擬域內的每一個格點上的電位值，然后通過所求出的電位值計算出格點上的電場強度，電場強度與電位之間的關系表達式為：即電場強度等于負的電位的梯度；將格點上的電場強度值與所研究的空間模擬域的背景電場值之比，即畸變系數。...

【技術特征摘要】
1.一種建筑物不同參數對大氣電場畸變效應的數值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)利用有限差分方法求出建筑物大氣電場的畸變系數，用于對大氣電場儀的實際測量值進行修訂；所述有限差分方法具體方法如下：對所研究的空間模擬域進行離散化處理，滿足泊松方程的二維電場基本表達式如下：式中，ρ為所研究區域的自由電荷密度值，ε為介電常數，為所研究區域的電勢；如果所研究的空間模擬域內沒有自由電荷的影響下，上述公式中取ρ＝0，則上述泊松方程就等效成拉普拉斯方程：然后將上述等效后的拉普拉斯方程寫成在直角坐標系的表達形式：然后采用五點差分的格式，對所研究的空間模擬域進行離散化處理，假設在空間尺度上x和y方向上的網格部分的步長均相等，步長值均為h,因子所模擬的空間場域內的差分方程表達式為：其中，i為x方向的格點數，j為y方向的格點數；然后，將方程(2)和(3)公式帶入差分后的方程(4)中得到：最后，考慮建筑物所在的空間模擬區域的邊界條件，對方程(5)計算，就可以求出...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張艷萍，陳凱峰，唐娟，
申請(專利權)人：南京信息工程大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32