CC BY
132
3. Докукова Н.А. Выбор рациональных параметров гидроопоры с пористым элементом // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. № 4. С. 18-23.
4. КацманМ.М. Расчет и конструирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1984.
5. КононенкоВ.О. Нелинейные колебания механических систем. Киев: Наук. думка, 1980. 382 с.
ГОРДЕЕВ БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией виброзащиты машин, Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Россия, Нижний Новгород (vibro@mts-nn.ru).
GORDEYEV BORIS ALEXANDROVICH - doctor of technical sciences, professor, head of Vibration Diagnostics Laboratory, Nizhny Novgorod Branch of Mechanical Engineering Institute named after A.A. Blagonravov, Russia, Nizhny Novgorod.
КУКЛИНА ИРИНА ГЕННАДЬЕВНА - кандидат технических наук, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, Нижний Новгород (iskuklina@rambler.ru).
KUKLINA IRINA GENNADIEVNA - candidate of technical sciences, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Nizhny Novgorod.
ГОРДЕЕВ АНДРЕЙ БОРИСОВИЧ - старший преподаватель, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, Нижний Новгород.
GORDEEV ANDREY BORISOVICH - senior teacher, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Nizhny Novgorod.
ГОРСКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ - аспирант кафедры высшей математики, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, Нижний Новгород (vladi-mir.gorskov@nickd.ru).
GORSKOV VlAdIMIR PETROVICH - post-graduate student of Higher Mathematics Department, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Nizhny Novgorod.
УДК 621.315
М.В. ГУСЬКОВ
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ СТЯГИВАНИЯ ЛИДЕРА МОЛНИИ
Ключевые слова: климатические факторы, поверхность стягивания, лидер молнии, интенсивность дождя, скорость ветра, ультрафиолетовое излучение.
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния климатических факторов на поверхность стягивания лидера молнии. Выявлены и проанализированы воздействия трех климатических факторов: интенсивности дождя, скорости ветра и ультрафиолетового излучения. Установлено, что воздействие данных факторов приводит к изменению площади поверхности стягивания лидера молнии.
M.V. GUSKOV
ABOUT RESEARCH OF THE AREA OF A SURFACE OF TIGHTENING OF THE LEADER OF LIGHTNING
Key words: climatic factors, tightening radius, the leader of lightning, intensity of rain, wind speed, ultra-violet radiation.
Results of experimental researches of influence of climatic factors on radius of tightening of the leader of a lightning are reported. Influences of three climatic factors are revealed and analyzed: intensity of rain, wind speed and ultra-violet radiation. It is established that influence of the given factors leads to change of radius of tightening of the leader of lightning.
Изучение процесса ориентировки молнии требует больших затрат времени и средств. Даже простые измерения числа ударов молнии в объекты различной высоты организационно сложны. В Республике Марий Эл большинство жилых и промышленных зданий имеют высоту меньше 50 м. В среднем в уединенное 50-метровое здание молния ударяет один раз в 10-20 лет эксплуатации [1].
Лабораторные исследования с применением длинной искры отличаются разбросом результатов, поэтому в дальнейшем будут упомянуты только наиболее результативные методические подходы.
Традиционным и вполне конкретным подходом является принцип эквидистантности. На ровной земной поверхности размещен малый по площади объект высоты к (в лабораторных условиях применен стержневой электрод). Предположим, что канал молнии смещен относительно объекта по горизонтали на расстояние г, а головка канала лидера молнии находится на высоте Н0 (рис. 1). Чтобы предсказать, попадет молния в объект или ударит в землю, принимаем во внимание результаты измерения пробивных напряжений длинных воздушных промежутков с резконеоднородным электрическим полем. Они показывают, что чем больше высота ориентировки, тем выше напряжение, требуемое в среднем для его пробоя, и тем больше время формирования разряда. Это значит, что первоочередной шанс быть пробитым в случае одновременной подачи напряжения на несколько промежутков имеет самый короткий из них [1]. Из литературы [1] известна формула (1), которая связывает эквивалентный радиус стягивания с высотой ориентировки лидера молнии:
г ^ = к{^ -2. (1)
Расстояние Лэкв называют эквивалентным радиусом стягивания для объекта высотой к. Высота Н0, на которой происходит более или менее жесткое определение канала молнии, называется высотой ориентировки молнии. Расстояние Лэкв показывает, с какого участка поверхности земли стягиваются к объекту молнии, опустившиеся до высоты Н0. В случае сосредоточенного объекта малых поперечных размеров это будет круг площадью 5”экв « пЛэ2кв. Эквивалентную площадь стягивания необходимо знать для определения среднего числа ударов молнии в год. Среднее число ударов молнии в год оценивается по формуле (2), которая приведена в литературе [5]:
^ = «м^экв , (2)
где «м - годовая плотность разрядов молнии в землю в месте размещения объекта. Глобальные или региональные карты интенсивности грозовой деятельности строятся по данным метеонаблюдений. Для республики Марий Эл удельная плотность ударов молнии в землю составляет 5,5 1/ км2-год, а среднегодовая продолжительность гроз составляет 60-80 ч. Данные об «м, как правило, приводятся на 1 км2 за грозовой сезон. В основном на картах указывается число грозовых дней или часов, а также даются эмпирические формулы для связи этого параметра с «м. Высота Н0 должна зависеть и от собственного поля лидера, меняющегося статистическим образом от молнии к молнии, вследствие изменения зарядов грозовых облаков, места старта нисходящего лидера, его траектории, числа ответвлений [1], погодных условий [4] и т.п. Лидер - это проводящий плазменный канал, прорастающий между облаками или между облаком и землей [1].
Рис. 1. Оценка эквивалентного радиуса стягивания к объекту
Существует большое количество погодных факторов, которые могут повлиять на ориентацию лидера молнии. К основным факторам относятся: скорость ветра, интенсивность дождя, влажность воздуха, ультрафиолетовая ионизация, атмосферное давление, температура воздуха. В данной работе будет описано влияние только трех факторов: интенсивность дождя, скорость ветра и ионизация воздуха [5]. Атмосферное давление изменяется в пределах 30 торр и практически не оказывает никакого влияния на развитие волны ионизации, а следовательно, на поведение стримера. Под стримером понимается тонкий ионизированный канал, прорастающий между электродами при больших значениях произведения давления и расстояния между ними [2]. Перепад температуры окружающего воздуха может достигать 60°С, что никаким образом не повлияет на поведение стримера, так как температура канала стримера может достигать 2000-3000°С, а температура канала лидера - 4500-6000°С [1, 6]. Параметры факторов атмосферного давления и температуры воздуха изменяться не будут и останутся постоянными.
Эксперименты проводились с учетом различных воздействующих факторов (Х1 - интенсивность дождя; Х2 - скорость ветра; Х3 - ионизация воздуха), влияющих на радиус стягивания лидера молнии. В качестве объекта защиты использовались четыре сельских дома, которые имеют высоту 7 м, ширину 6 м, длину 11 м, крыши домов выполнены из оцинкованного железа и каждая заземлена в одной точке. Масштаб размеров домов в модели уменьшен в 100 раз, аналогично высота ориентировки молнии также уменьшена в 100 раз. Использовались следующие градации высоты ориентировки тока молнии до поражаемых объектов: 3Ь, 6Ь, 9Ь, т.е. 21, 42,
63 м. По каждому эксперименту проводилось по сто опытов, каждый опыт состоял из пяти испытаний. Расположение защищаемых зданий и ориентация лидера молнии представлены на рис. 2.
Исследования показали, что при воздействии фактора дождя происходит увеличение площади поверхности стягивания. Это объясняется тем, что вода, применяемая в эксперименте, дистиллированная, так как дождевая вода считается дистиллированной. Она обладает более высокой проводимостью, чем сухой воздух. Высокая проводимость приводит к увеличению количества стримеров. Чем больше стримеров образуется между электродами, тем больше площадь, на которой создаются каналы для протекания тока разряда. Конечно, не все разряды протекают по увеличенным траекториям, но их количество растет с нарастанием интенсивности дождя.
Грозовое облако "
Лидер молнии
Рис. 2. Схема проведения эксперимента по выявлению воздействующих факторов:
1, 2, 3, 4 - макеты домов (объекты поражения); 5 - вентилятор; 6 - пульверизаторная установка; 7 - установка ультрафиолетового излучения
При наличии ветра происходит уменьшение площади поверхности стягивания. Это объясняется следующим образом. Между электродами прорастает тонкий ионизированный канал, который прокладывает себе путь по положительно заряженному следу первой мощной лавины электронов. Лавины появляются вблизи первичной лавины от электронов, появившихся под воздействием фотонов, которые испускаются возбужденными атомами при прохождении первичной и вторичных лавин [2]. Поток воздуха смещает часть электронов со следа лавин. В связи с чем для резкого повышения числа электронов в лавине необходимо большее количество энергии для увеличения объемного заряда. В тот момент, когда объемный заряд начинает сильно влиять на электрическое поле, поменяются свойства электронного облака, что приведет к образованию стримера. В процессе прорастания стримера перед головкой в области сильного поля должна происходить мощная ионизация молекул воздуха ударами электронов. Электроны, появившиеся вдалеке от головки стримера, смещаются потоком воздуха. Это приводит к уменьшению количества лавин ионизации вблизи от головки стримера, вследствие чего уменьшаются длина стримера и количество новых участков стримерных каналов. Чем короче длина стримера, тем меньше площадь поверхности стягивания искры.
При воздействии ультрафиолетового излучения происходит уменьшение площади поверхности стягивания вследствие того, что ультрафиолет ионизирует воздух между электродами, поэтому стримеры, которые образуются на траектории короткого пути, быстрее создают канал для протекания тока искры.
Изменение площади поверхности стягивания лидера молнии при воздействии погодных факторов доказано на лабораторной модели. Возможно, в природе происходит то же самое.
Вывод. При воздействии фактора дождя площадь поверхности стягивания увеличивается на 10-15%. При воздействии фактора ветра площадь поверхности стягивания уменьшается на 30-40%. При воздействии ультрафиолетового излучения площадь поверхности стягивания уменьшается 15-20%.
Литература
1. Базелян Э.М., РайзерЮ.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. 320 с.
2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд: учебное пособие для втузов. М.: Изд-во Моск. физ.-тех. ин-та, 1997. 320 с.
3. Гуськов М.В. Лесные пожары в Республике Марий Эл вызванные разрядами молнии // Актуальные решения современной науки. 2010. № 1. С. 140-145.
4. Гуськов М.В., Мухамадшин Н.В., Рыбаков Л.М. Экспериментальное исследование поражения молнией домов в сельской местности // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. N° 1. С. 35-36.
5. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 31.21.122-87 / Минэнерго СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. 5б с.
6. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.П. Молния и молниезащита. М.: Знак, 2003. 330 с.
ГУСЬКОВ МИХАИЛ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - аспирант, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (mihailguskov1@rambler.ru).
GUSKOV MIHAIL VYACHESLAVOVICH - post-graduate student, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
