Оптимизация методов молниезащиты с учетом макромасштабной асимметрии молниевых разрядов

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.