Оптимизация методов молниезащиты с учетом макромасштабной асимметрии молниевых разрядов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-11-00245

НазваниеОптимизация методов молниезащиты с учетом макромасштабной асимметрии молниевых разрядов

Руководитель Иудин Дмитрий Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые слова атмосферное электричество, грозовое облако, молниевый разряд, асимметрия полярности, молниезащита, клеточные автоматы, численное моделирование, возвратный удар

Код ГРНТИ29.03.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы оптимизации параметров молниезащиты на базе численных экспериментов с использованием верифицированных моделей молниевого разряда. Молниевые разряды нередко приводят к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам. Экономический ущерб молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и в связи с тенденцией к цифровизации человеческой деятельности. Несмотря на большое количество нормативных документов, методик и правил по расчету средств молниезащиты и заземления, проблема снижения риска возникновения несчастных случаев, аварий и техногенных катастроф из-за воздействия молнии на технологическое и инженерное оборудование производственных объектов, линий электропередач и инфраструктурных коммуникаций остается актуальной не только для энергетики, но и для навигации, железнодорожного транспорта, связи, военной и многих других сфер. Прогнозируется, что к концу 21-го века грозовая активность на планете существенно возрастет из-за глобального потепления и аэрозольного загрязнения атмосферы, что еще больше увеличивает потенциальный экономический ущерб от молниевых разрядов. Целью проекта является построение программно-вычислительного комплекса, осуществляющего математическое моделирование инициации и развития молниевых разрядов, а также их взаимодействия с наземными объектами с учетом ряда важнейших физических аспектов рассматриваемого явления. Концептуальное представление эволюции молниевого разряда будет осуществляться с учётом макромасштабной асимметрии молнии – нарушения структурной симметрии дерева электрического разряда при смене направления тока на противоположное. Развитие модельного разряда должно демонстрировать способность молнии к саморегуляции, которая осуществляется посредством переходных событий, включающих рождение, распад и реактивацию плазменных каналов. Важнейшим объектом моделирования станет чехол заряда вокруг лидерного канала, структура и заряд которого отвечают за импульс тока возвратного удара. Используемый модельный подход позволит впервые описать не только процессы формирования и перезарядки чехла лидера, но и сток части его заряда в землю на стадии возвратного удара. Моделирование всех этапов жизненного цикла молнии должно сопровождаться плазмохимическим анализом всех ключевых процессов. Конечной целью разрабатываемого программно-вычислительного комплекса является оптимизация параметров внутренней и внешней молниезащиты. Масштаб задачи обусловлен высокой значимостью ее решения и широким диапазоном пространственно-временных интервалов развития молниевого разряда и его взаимодействия с наземными объектами. Поскольку проведение полевых испытаний требует чрезвычайно трудоемких и дорогостоящих мероприятий и не соответствует всем аспектам реального воздействия молнии на защищаемые объекты, проектирование и тестирование эффективных систем молниезащиты требует разработки пакетов программного обеспечения, учитывающих результаты математического моделирования эволюции молниевого разряда. Научная новизна предлагаемых исследований определяется тем, что проблема оптимизации параметров молниезащиты впервые рассматривается в русле физически обоснованного моделирования эволюции молниевого разряда. Новым является и разрабатываемый авторами проекта сценарий инициации и развития молнии как саморазвивающейся транспортной сети, асимметричной по отношению к смене электрической полярности разряда. Новизна задач проекта определяется также новыми недавно открытыми процессами, сопровождающими развитие молнии. Научная значимость и актуальность решения обозначенной проблемы усиливаются тем, что вопросы зарождения, распространения молний и их взаимодействия с наземными объектами до сих пор возглавляют списки ключевых нерешенных проблем атмосферного электричества и молниезащиты.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иудин Д.И., Коровкин Н.В., Сысоев А.А., Хаякава М. Разряд молнии как самоорганизующаяся транспортная сеть. Ч. 1. Концепция асимметричного разрядного древа Электричество, № 6, с. 77–88 (год публикации - 2023)
10.24160/0013-5380-2023-6-77-88

2. Сысоев А.А., Иудин Д.И. Numerical simulation of electric field distribution inside streamer zones of positive and negative lightning leaders Atmospheric Research, Vol. 295, P. 107021 (год публикации - 2023)
10.1016/j.atmosres.2023.107021

3. Александров Н.Л., Пономарев А.А., Сысоев А.А., Иудин Д.И. Динамика изменения состава отрицательных ионов вокруг гидрометеоров в грозовом облаке Физика плазмы, Т. 49, № 11, с. 1186–1204 (год публикации - 2023)
10.31857/S0367292123601054

4. Иудин Д.И., Сысоев А.А. Переходные процессы в лидерной сети молнии Материалы Шестой Всероссийской конференции «Глобальная электрическая цепь», 2-6 октября 2023 г., пос. Борок (Ярославская обл.), С. 20-21 (год публикации - 2023)

5. Александров Н.Л., Пономарев А.А., Сысоев А.А., Иудин Д.И. Динамика изменения состава отрицательных ионов вокруг гидрометеоров в грозовом облаке Материалы Шестой Всероссийской конференции «Глобальная электрическая цепь», 2-6 октября 2023 г., пос. Борок (Ярославская обл.), С. 13-14 (год публикации - 2023)

6. Иудин Д.И. Нелинейная динамика канала молнии Наука и инновации – современные концепции, Т. 1, С. 177–188 (год публикации - 2024)
10.34660/INF.2024.96.27.236

7. Иудин Д.И. Самоорганизующиеся транспортные сети в геофизике: структурная асимметрия XXI Научная школа «Нелинейные волны – 2024», С. 16–17 (год публикации - 2024)

8. Александров Н.Л., Пономарев А.А., Сысоев А.А. Generation of seed electrons in guided ionization waves in He-O2 mixtures: The effect of negative ion cluster formation Physics of Plasmas, Vol. 31, Iss. 9, P. 093509 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0222343

9. Александров Н.Л., Пономарев А.А. Упрощенный подход к описанию кинетических свойств примесных ионов в слабоионизованной плазме гелия Физика плазмы, Т. 50, № 12 (год публикации - 2024)

10. Александров Н.Л., Пономарев А.А., Сысоев А.А., Иудин Д.И. Влияние кластеризации отрицательных ионов на генерацию затравочных электронов при распространении волн ионизации в смесях Не:О2 X Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, С. 22 (год публикации - 2024)

11. Иудин Д.И. Nonlinear lightning channel dynamics Scientific research of the SCO countries: synergy and integration, Part 2, P. 208–216 (год публикации - 2024)
10.34660/INF.2024.19.87.214

12. Иудин Д.И. Динамика молнии: нелинейный механизм и асимметрия полярности VIII Российская конференция по молниезащите (год публикации - 2024)

13. Иудин Д.И., Сысоев А.А., Иудин Ф.Д., Емельянов А.А., Жаворонков И.Ю., Прудникова Е.Ю. Numerical simulation of reversal point dynamics in intracloud lightning: Back-and-forth promoting effect Atmospheric Research, Vol. 310, P. 107647 (год публикации - 2024)
10.1016/j.atmosres.2024.107647

14. Иудин Д.И. Макромасштабная асимметрия молнии: теория и эксперимент II Всероссийская школа Национального центра физики и математики по экспериментальной лабораторной астрофизике и геофизике, С. 16 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение второго года реализации проекта было продолжено исследование механизмов распространения молниевого разряда с учетом макромасштабной асимметрии развития его положительной и отрицательной частей. В том числе было начато рассмотрение случая разряда на землю, представляющего большой интерес с точки зрения развития методов молниезащиты. В дополнение к этому было проведено исследование кинетики отрицательных ионов в гелиевых плазменных струях, распространяющихся в воздухе атмосферного давления. Была промоделирована динамика дрейфа точки реверса в процессе развития биполярного внутриоблачного лидера молнии. Показано, что развитие молнии всегда сопровождается движением точки реверса, которая смещается в сторону роста той ее части, которая в данный момент времени обладает большим значением суммарного периферийного тока. Модель предсказывает, что для случая внутриоблачной молнии амплитуды колебаний точки реверса по высоте и по вариации электрического потенциала составляют порядка 1 км и 100 МВ соответственно. При этом скорость изменения электрического потенциала точки реверса составляет порядка 10 МВ/мс. Установлено, что наиболее важными факторами, влияющими на направление смещения точки реверса, являются асимметрия пороговых полей поддержания роста положительных и отрицательных стримеров и разность высот, на которых расположены фронты роста положительной и отрицательной частей молнии. Были проведены расчёты плазмохимических процессов в высокопроводящем плазменном шнуре канала с учетом влияния изменения температуры газа на процессы ионизации и рекомбинации заряженных частиц в плазме. Были получены зависимости концентраций основных заряженных и нейтральных компонентов в условиях лидерного канала в зависимости от приведенного электрического поля и температуры газа. Анализ этих результатов позволил определить условия, в которых описание лидерной плазмы может быть упрощено за счет использования термодинамически равновесной электропроводности нагретого воздуха, для которой в литературе имеются аналитические аппроксимации. Была разработана численная модель инициации возвратного лидера молнии, базирующаяся на концепции смещения точки реверса в процессе развития молнии и описывающая самосогласованную эволюцию термодинамических и электрических параметров разрядных каналов. Рассмотрены три основных этапа развития боковой ветви лидера: рост, бестоковый промежуток и стадия реактивации (в нескольких вариантах), на которой возникает возвратный лидер. Результаты моделирования впервые позволяют сформулировать физически обоснованный механизм зарождения возвратного лидера молнии. В его основе лежит динамика распространения по каналу нелинейной диффузионной волны повышения электрического потенциала, профиль которой меняется по мере распространения из-за изменения свойств (в первую очередь температуры) канала. Установлено, что если значение приведенного электрического поля в волне достигает порядка 10 Тд, то плазма становится неравновесной и нагрев электронов вызывает дополнительную ионизацию газа, которая ассоциируется с инициацией возвратного лидера молнии. Конкретная мода изменения свойств канала зависит от длительности бестоковой паузы, причем инициация возвратного лидера имеет место при не очень коротких и не очень длительных бестоковых промежутках. Согласно результатам моделирования, процесс ионизации в ранее распавшемся лидерном канале начинается не с точки ветвления, а где-то между ней и головкой лидера, что подтверждается данными экспериментальных наблюдений. Осуществлен математический анализ нелинейной связи между поперечным током и потенциалом плазменного шнура относительно суперпозиции потенциала чехла лидера и потенциала крупномасштабного электрического поля облака. Показано, что молниевый канал развивается в соответствии с одной из двух мод, каждая из которых характеризуется затуханием продольного тока от одного конца молнии к другому. Переход между стабильными модами осуществляется посредством возбуждения быстрой волны переключения, которая возникает на периферии субдоминантного полюса и движется в противоположном направлении. Развитие молнии в рамках каждой моды сопровождаются перезарядкой чехла лидерной системы, изменением среднего потенциала древа разряда и соответствующим перемещением точки реверса, которая всегда следует за доминирующим по току лидером. При этом управляющим параметром нелинейных процессов поперечной утечки заряда является погонный заряд тонкого лидерного канала. Было показано, что при не слишком большой частоте повторения импульсов главными отрицательными ионами перед началом очередного импульса напряжения в плазменной струе в гелии атмосферного давления с малой примесью кислорода или воздуха оказываются ионы O4-. Установлено, что кинетика кластерных ионов типа ионов O4- должна учитываться при определении минимальной концентрации затравочных электронов, необходимой для развития импульсно-периодических разрядов в плазменных гелиевых струях. Был предложен приближенный полуаналитический подход, позволяющий вычислять интегральные характеристики примесных тяжелых ионов (О2+, О2-, О4- и т.д.) в плазме гелия в сильном электрическом поле, основанный на большом различии в массах ионов и атомов гелия. Была начата разработка и отладка трехмерной стохастической модели молниевого разряда типа облако-земля, которая позволяет получить временной профиль тока возвратного удара на главной стадии молнии. Модель учитывает возможность инициации восходящего лидера с заземленного объекта и воспроизводит волну выравнивания потенциалов, распространяющуюся по общему каналу после контакта головок нисходящего и восходящего лидеров противоположной полярности. Предложен подход, позволяющий использовать полученный в рамках моделирования профиль тока возвратного удара для расчета токов и напряжений, возникающих в распределенных системах длинных проводников с учетом переизлучения ими электромагнитной энергии с минимальным уровнем допущений. Расчеты используют модели заземляющих устройств, учитывающих реальные динамические свойства заземлителей. Разработанная методика может использоваться в качестве математической модели систем ограничения токов и напряжений, вызванных в электрических цепях защищаемых объектов. Дополнительные материалы доступны на сайте проекта: https://lightning-science.com/rscf-23-11-00245/.

Публикации