不同气压下负流光特征的数值模拟

发布时间：2020-04-15 17:38

【摘要】：闪电在雷暴云中是如何启动的仍然是雷电研究领域有待解决的问题。负流光在闪电启动中起着重要的作用,对不同气压下负流光的研究有助于理解雷暴云中不同高度的闪电启动过程。然而现有的对不同气压下负流光的研究相对较少。为此,本文使用模拟方法研究了变化气压下负流光的特性,试图对云闪和地闪是如何在不同高度启动的提出一些见解。本文使用柱对称的二维模式对平面平行极板间氮气中的负流光进行了模拟。模式中使用电子和正离子的连续方程描述流光的运动,并耦合泊松方程来求解空间电荷产生的电场。使用了通量校正传输算法(FCT)来精确求解连续方程以及动态网格细化算法来提高计算的效率。使用该模式研究了标准气压下初始电荷条件和背景电场对流光特征的影响,以及变化气压下的流光。模拟结果显示,流光经过初始阶段的调整后以一种稳态传播,而稳态的特征是由气压和背景电场共同决定的背景电离频率决定。背景电离频率越大流光的发展速度越快并有更大的电流。初始电荷条件同样影响着流光的特征,横截面上的总电荷浓度越大,流光更快的进入稳态过程并且传播的更快。气压和背景电场通过背景电离频率来影响流光的特征：背景电场不变时,随着气压降低背景电离频率增加,流光发展速度变快并有更大的电流,说明流光更容易在较低气压下启动；而气压相同时,背景电场增大则背景电离频率增大而流光发展速度变快,流光发展速度变快并有更大的电流,流光更容易在背景电场大的区域启动。我们的结果显示在雷暴云中负流光在低气压(更高的高度)下比高气压时更容易发生,而观测数据同样显示发生在更高位置的云闪比发生位置更低的地闪多。
【图文】：

示意图,格点,嵌套,示意图

Az'=AZV2'-I。图2.1给出了嵌套的三层格点示意图，根据实际情况对相应的格点进行细化，同一层上可以出现不同的格点团，如图中的格点团和D4。在此把在格点团层次/ = /?上的变量《表示为所有网格都使用它们的角部相对于该系统的原点的坐标（对称轴与阴极交点）来表征，所以有a/ =(/-1/2)-ArZ，4 =0"-V2)-Az' 0本文中，求解泊松方程的格点用团表示，而求解连续方程的格点用团f表示。连续方程的格点结构如下：由细化条件已确定某一层/上的格点团<所有可细化的格点团，这会产生一个或多个与格点团<相关的格点团{<+1丨。第一步，我们选择由父格点团f产生的子格点团{^+1}覆盖尽可能小的矩形区域来覆盖所有这些子格点团。尽管这基本的方法会节省计算时间

三种关系,格点,质量守恒

这里U代表格点的电子浓度和离子浓度。第二种情况，一部分细网格在前一时刻己经存在（图2.2中cr+i，2与Q”，2相交的区域），此时可直接进行浓度值得传递。第三种情况，新网格所在的区域中在前一时刻只有更粗的网格存在（图2.2中横向条纹区域）。此时我们要把粗网格上的值赋值给新的细网格[/"+1、在赋值过程中主要考虑的是电荷在离散过程中的守恒。使用一维情况作为简单的说明：我们考虑一个粗网格上的值由质量守恒可知其赋值给细化网格的值= 为：U卜 Uf + Di,心：Uf-Di (2.15)由质量守恒显然有Az'wf+ Az'w,ti =AzZ[/f成立。使用三点插值使得系数i),是二阶精度的：A=^(A-.+A.i) (2.16)I — O"."‘ _J I I 丨m\图2.2时间广+1的格点和前一时刻/”的格点的三种关系。其中三个在时间？”的格点(实线）所在格点层分别为1、2和3,在时间广+】的格点（虚线）所在的格点层为2,图片来自 Montijn et al(2006)。在本文使用的二维柱对称系统中，需要在以上的插值中加入Z方向的值，并且在径向上使用从而保证系统内的质量守恒。最后，，确定每个格点团的边界值。对于最粗的网格，其边界值直接由公式(2.4、2.5)确定。对于细化后的网格
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P427.3

【参考文献】