放射性核素在大氣環(huán)境中遷移擴(kuò)散的研究方法

王志遠(yuǎn) 李煜 張?jiān)骆?/p>

摘要：核電廠放射性核素在大氣環(huán)境中的遷移與擴(kuò)散備受廣泛的關(guān)注，而了解核電廠正常工況下釋放到環(huán)境中的放射性核素的遷移規(guī)律，對(duì)于核電廠的規(guī)劃以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有重要意義。復(fù)雜地形與建筑物近場(chǎng)流動(dòng)及氣載放射性核素?cái)U(kuò)散問題一直是國(guó)內(nèi)外非常關(guān)注的課題。本文主要針對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種研究方法展開介紹，并對(duì)兩種方法的結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞物理模擬結(jié)果表現(xiàn)出較一致的變化趨勢(shì)，總體上CFD技術(shù)可以作為復(fù)雜地形和建筑物近場(chǎng)流動(dòng)和擴(kuò)散研究的一種較為有效的工具。

關(guān)鍵詞：核電廠;大氣擴(kuò)散;風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);數(shù)值模擬

引言

對(duì)于核電廠放射性核素在大氣中的擴(kuò)散問題在國(guó)際上已有多年的研究，放射性核素大氣擴(kuò)散過程的研究方法主要分為數(shù)值模擬、物理模擬和大氣示蹤試驗(yàn)三種基本手段，實(shí)際工作中，通常將三種方法結(jié)合起來，更有效的研究污染物在大氣環(huán)境中的遷移擴(kuò)散規(guī)律。

大氣示蹤實(shí)驗(yàn)作為大氣擴(kuò)散研究最基本的方法之一，能夠通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取最真實(shí)的擴(kuò)散情況，在我國(guó)《核電廠廠址大氣擴(kuò)散試驗(yàn)規(guī)范》（NB/T 20202-2013）中有具體要求和規(guī)范[1]，然而僅依靠事故后的觀測(cè)結(jié)果會(huì)存在覆蓋范圍有限、無法重現(xiàn)、無法提前進(jìn)行安全預(yù)案等問題[2]。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相較于示蹤實(shí)驗(yàn)可以更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定且可重復(fù)地模擬大氣情況，實(shí)驗(yàn)花費(fèi)也較少，是一種已經(jīng)被證實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下有效的擴(kuò)散分析方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更好的重復(fù)性，從而可以更好地模擬核素?cái)U(kuò)散的情況[3]。數(shù)值模擬技術(shù)，即計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（Computational Fluid Dynamics），是研究放射性核素遷移擴(kuò)散的一種有效手段[4]，應(yīng)用數(shù)值模式模擬能快速有效地評(píng)估放射性物質(zhì)泄漏的污染范圍和區(qū)域。我國(guó)有眾多用于國(guó)防、科研以及能源發(fā)電的核設(shè)施，模擬放射性核素的擴(kuò)散。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）研究成本低、周期短;（2）無實(shí)驗(yàn)儀器干擾;（3）能獲得完整的數(shù)據(jù);（4）能將計(jì)算情況在計(jì)算機(jī)屏幕上形象地再現(xiàn)[5];（5）數(shù)值模擬技術(shù)通常不受相似準(zhǔn)則等條件的限制，并且CFD可以給出整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與污染物的擴(kuò)散規(guī)律[6]。同時(shí)CFD模型借助于精確的三維建模和網(wǎng)格劃分，可以有效解決有效解決物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在的不足，并且有國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，CFD的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合較好[7]。

本文主要針對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種研究方法展開介紹，并對(duì)兩種方法的結(jié)果進(jìn)行比較分析。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以中國(guó)輻射防護(hù)研究院2號(hào)風(fēng)洞為代表，數(shù)值模擬以流體力學(xué)軟件Fluidyn-PANACHE為代表。

1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)介紹

中國(guó)輻射防護(hù)研究院大氣邊界層2號(hào)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為直流下吹氣風(fēng)洞，洞體全長(zhǎng)71.1m，

試驗(yàn)段截面為5m×3.5m，長(zhǎng)28m，如圖1.1所示。

根據(jù)相似理論，兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)相似必須滿足一套確定的相似準(zhǔn)則，除要求模型與原型之間實(shí)現(xiàn)幾何相似外，還要求運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似以及邊界條件相似。實(shí)驗(yàn)中，同樣滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、邊界條件相似，其中運(yùn)動(dòng)相似的平均速度廓線遵從指數(shù)律，動(dòng)力相似符合根本茂準(zhǔn)則。

流場(chǎng)測(cè)量裝置是丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的Multichannel CTA多通道同步熱線風(fēng)速儀，二維熱線探頭，測(cè)量速度范圍：0.2m/s～300m/s，精確度：±1.5%或±0.02m/s。濃度測(cè)量?jī)x器包括自動(dòng)采樣器和氣象色譜儀。

2數(shù)值模擬方法介紹

Fluidyn-PANACHE軟件是由法國(guó)Transoft公司與法國(guó)環(huán)境與能源署（ADEME）協(xié)作開發(fā)，并結(jié)合現(xiàn)代軟件工程技術(shù)，通過三維有限體積法（FVM）求解模擬空氣運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程。PANACHE包括一個(gè)內(nèi)置的自動(dòng)三維網(wǎng)格生成器，可以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化（矩形）或非結(jié)構(gòu)化（三角形）網(wǎng)格，網(wǎng)格圍繞障礙物或起伏不定地形進(jìn)行貼體計(jì)算，如圖2.1所示，同時(shí)考慮所有地形地貌的影響，諸如地形起伏、植被冠層和城市冠層等。

Fluidyn-PANACHE的基本求解方程為N-S方程，同時(shí)求解物種的濃度、質(zhì)量和能量守恒方程。對(duì)于顆粒及氣溶膠的擴(kuò)散，還要求解拉格朗日描述下的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程。對(duì)于湍流模式，PANACHE求解上述方程的雷諾平均形式。雷諾應(yīng)力模型使用線性渦黏性模型（LEVM）方程：

（4）能量守恒

式中，τ為黏性應(yīng)力張量;為變形率張量;ρ為密度;U為速度矢量;ym為物種m的質(zhì)量分?jǐn)?shù);T為溫度;p為壓力;Dm為物種m的有效擴(kuò)散系數(shù);μ為有效黏性系數(shù);k為膨脹黏性系數(shù)（k=0為Stokes流體）;δ為單位張量;Cp為定壓比熱;q為熱通量向量，q=-k▽T;k為有效熱傳導(dǎo)系數(shù);Sm為物種m濃度守恒方程的源項(xiàng);Sρ為連續(xù)性方程的源項(xiàng);SU為動(dòng)量守恒方程的源項(xiàng);ST為能量守恒方程的源項(xiàng)。

PANACHE使用修正浮力和可壓縮的標(biāo)準(zhǔn)高雷諾數(shù)格式[8]，其求解湍流動(dòng)能k的輸運(yùn)方程及其耗散率ε方程為：

式中，SεV為植被冠層產(chǎn)生的源項(xiàng)。

3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比較

本次工作主要指針對(duì)某核電廠址，同步開展風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并對(duì)兩種方法的流場(chǎng)及地面濃度分布情況進(jìn)行比較。該廠址5km范圍內(nèi)有起伏地形及高大建筑物分布。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)口的氣流條件為：（1）近地層平均風(fēng)廓線冪指數(shù)P=0.16，模型頂部1200mm處的風(fēng)速U=1.0m/s;（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s比為1：1000。數(shù)值模擬計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積法來求解N-S方程組，模擬湍流流動(dòng)使用k-ε模型，開展基于實(shí)際地形的數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。計(jì)算時(shí)邊界層入口邊界條件風(fēng)廓線、湍流廓線、模型頂部風(fēng)速以及污染源排放條件均與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相同。

3.1流場(chǎng)特征

根據(jù)該廠址氣象資料分析結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際地形特征，選取該廠址年均主導(dǎo)風(fēng)向下，取煙囪所在軸線上不同距離處的風(fēng)廓線結(jié)果，比較風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果各關(guān)注點(diǎn)歸一化速度隨高度的變化情況，如圖3.1所示。

由圖可以看出，基本上數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的歸一化速度隨高度的變化趨勢(shì)吻合較好?？傮w上，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果略大于CFD結(jié)果。在近地面處，數(shù)值模擬的結(jié)果略高于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮受到該廠址廠區(qū)范圍內(nèi)近地面高大建筑物及起伏地形的影響，同時(shí)本次數(shù)值模擬所采用的k-ε湍流模型低估了湍流動(dòng)能。

3.2濃度場(chǎng)特征

分別取下風(fēng)向500m、1000m、2000m和3000m處地面橫向濃度，比較了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的地面濃度分布情況，如圖3.2所示。

由上圖可知，總體上，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果能表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，且風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬表現(xiàn)出的地面濃度分布情況吻合較好。

4結(jié)論

總體上，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果高于數(shù)值模擬結(jié)果，說明本次數(shù)值模擬所使用的k-ε模型低估了湍流動(dòng)能，使得計(jì)算結(jié)果的濃度散步較小，垂向風(fēng)廓變化趨勢(shì)較陡。流場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明，本次案例所使用的CFD技術(shù)的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)出的趨勢(shì)基本一致，但對(duì)于近地面由于復(fù)雜地形引起的空氣動(dòng)力學(xué)畸變特點(diǎn)未能表現(xiàn)出來。濃度場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明，本次案例所使用的CFD技術(shù)能夠較好地模擬出污染物的輸送與擴(kuò)散規(guī)律，其結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，但近地面兩者結(jié)果還存在一定的差異;但對(duì)于地面濃度的分布情況與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好的吻合。

通過比較數(shù)值模擬及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流場(chǎng)特征及濃度分布特征，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較一致的變化趨勢(shì)，總體上CFD技術(shù)可以作為復(fù)雜地形和建筑物近場(chǎng)流動(dòng)和擴(kuò)散研究的一種較為有效的工具，但對(duì)于近地面，兩者存在一定的差異性。

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作者簡(jiǎn)介：王志遠(yuǎn)（1970-），男，本科，畢業(yè)于西北建筑工程學(xué)院（現(xiàn)為長(zhǎng)安大學(xué)）供熱通風(fēng)空調(diào)專業(yè)。兼職設(shè)總及商務(wù)經(jīng)理，研究方向?yàn)槿嬖O(shè)計(jì)管理、技經(jīng)管理和商務(wù)管理。