放射性核素在大气环境中迁移扩散的研究方法

王志远 李煜 张月婷

摘要：核电厂放射性核素在大气环境中的迁移与扩散备受广泛的关注，而了解核电厂正常工况下释放到环境中的放射性核素的迁移规律，对于核电厂的规划以及环境影响评价具有重要意义。复杂地形与建筑物近场流动及气载放射性核素扩散问题一直是国内外非常关注的课题。本文主要针对风洞实验和数值模拟两种研究方法展开介绍，并对两种方法的结果进行比较分析。结果表明，数值模拟结果与风洞物理模拟结果表现出较一致的变化趋势，总体上CFD技术可以作为复杂地形和建筑物近场流动和扩散研究的一种较为有效的工具。

关键词：核电厂;大气扩散;风洞实验;数值模拟

引言

对于核电厂放射性核素在大气中的扩散问题在国际上已有多年的研究，放射性核素大气扩散过程的研究方法主要分为数值模拟、物理模拟和大气示踪试验三种基本手段，实际工作中，通常将三种方法结合起来，更有效的研究污染物在大气环境中的迁移扩散规律。

大气示踪实验作为大气扩散研究最基本的方法之一，能够通过现场实测获取最真实的扩散情况，在我国《核电厂厂址大气扩散试验规范》（NB/T 20202-2013）中有具体要求和规范[1]，然而仅依靠事故后的观测结果会存在覆盖范围有限、无法重现、无法提前进行安全预案等问题[2]。风洞实验相较于示踪实验可以更加准确、稳定且可重复地模拟大气情况，实验花费也较少，是一种已经被证实实验室环境下有效的扩散分析方法，实验结果具有更好的重复性，从而可以更好地模拟核素扩散的情况[3]。数值模拟技术，即计算流体力学技术（Computational Fluid Dynamics），是研究放射性核素迁移扩散的一种有效手段[4]，应用数值模式模拟能快速有效地评估放射性物质泄漏的污染范围和区域。我国有众多用于国防、科研以及能源发电的核设施，模拟放射性核素的扩散。相对于实验研究，具有其独特的优点：（1）研究成本低、周期短;（2）无实验仪器干扰;（3）能获得完整的数据;（4）能将计算情况在计算机屏幕上形象地再现[5];（5）数值模拟技术通常不受相似准则等条件的限制，并且CFD可以给出整个模拟区域内流场结构与污染物的扩散规律[6]。同时CFD模型借助于精确的三维建模和网格划分，可以有效解决有效解决物理模拟和现场试验存在的不足，并且有国内外的研究成果表明，CFD的模拟结果与风洞实验的结果吻合较好[7]。

本文主要针对风洞实验和数值模拟两种研究方法展开介绍，并对两种方法的结果进行比较分析。风洞实验以中国辐射防护研究院2号风洞为代表，数值模拟以流体力学软件Fluidyn-PANACHE为代表。

1风洞实验介绍

中国辐射防护研究院大气边界层2号风洞实验室为直流下吹气风洞，洞体全长71.1m，

试验段截面为5m×3.5m，长28m，如图1.1所示。

根据相似理论，两个流动系统相似必须满足一套确定的相似准则，除要求模型与原型之间实现几何相似外，还要求运动相似和动力相似以及边界条件相似。实验中，同样满足几何相似、运动相似、边界条件相似，其中运动相似的平均速度廓线遵从指数律，动力相似符合根本茂准则。

流场测量装置是丹麦DANTEC公司生产的Multichannel CTA多通道同步热线风速仪，二维热线探头，测量速度范围：0.2m/s～300m/s，精确度：±1.5%或±0.02m/s。浓度测量仪器包括自动采样器和气象色谱仪。

2数值模拟方法介绍

Fluidyn-PANACHE软件是由法国Transoft公司与法国环境与能源署（ADEME）协作开发，并结合现代软件工程技术，通过三维有限体积法（FVM）求解模拟空气运动的Navier-Stokes方程。PANACHE包括一個内置的自动三维网格生成器，可以创建结构化（矩形）或非结构化（三角形）网格，网格围绕障碍物或起伏不定地形进行贴体计算，如图2.1所示，同时考虑所有地形地貌的影响，诸如地形起伏、植被冠层和城市冠层等。

Fluidyn-PANACHE的基本求解方程为N-S方程，同时求解物种的浓度、质量和能量守恒方程。对于颗粒及气溶胶的扩散，还要求解拉格朗日描述下的颗粒运动轨迹方程。对于湍流模式，PANACHE求解上述方程的雷诺平均形式。雷诺应力模型使用线性涡黏性模型（LEVM）方程：

（4）能量守恒

式中，τ为黏性应力张量;为变形率张量;ρ为密度;U为速度矢量;ym为物种m的质量分数;T为温度;p为压力;Dm为物种m的有效扩散系数;μ为有效黏性系数;k为膨胀黏性系数（k=0为Stokes流体）;δ为单位张量;Cp为定压比热;q为热通量向量，q=-k▽T;k为有效热传导系数;Sm为物种m浓度守恒方程的源项;Sρ为连续性方程的源项;SU为动量守恒方程的源项;ST为能量守恒方程的源项。

PANACHE使用修正浮力和可压缩的标准高雷诺数格式[8]，其求解湍流动能k的输运方程及其耗散率ε方程为：

式中，SεV为植被冠层产生的源项。

3风洞实验与数值模拟结果比较

本次工作主要指针对某核电厂址，同步开展风洞实验和数值模拟研究，并对两种方法的流场及地面浓度分布情况进行比较。该厂址5km范围内有起伏地形及高大建筑物分布。

风洞实验中，进口的气流条件为：（1）近地层平均风廓线幂指数P=0.16，模型顶部1200mm处的风速U=1.0m/s;（2）实验模型缩比为1：1000。数值模拟计算采用非结构化网格和有限体积法来求解N-S方程组，模拟湍流流动使用k-ε模型，开展基于实际地形的数值模拟，并将模拟结果与风洞实验结果进行比较。计算时边界层入口边界条件风廓线、湍流廓线、模型顶部风速以及污染源排放条件均与风洞实验相同。

3.1流场特征

根据该厂址气象资料分析结果，并结合实际地形特征，选取该厂址年均主导风向下，取烟囱所在轴线上不同距离处的风廓线结果，比较风洞实验和数值模拟结果各关注点归一化速度随高度的变化情况，如图3.1所示。

由图可以看出，基本上数值模拟结果与风洞实验的归一化速度随高度的变化趋势吻合较好。总体上，风洞实验的结果略大于CFD结果。在近地面处，数值模拟的结果略高于风洞实验结果，考虑受到该厂址厂区范围内近地面高大建筑物及起伏地形的影响，同时本次数值模拟所采用的k-ε湍流模型低估了湍流动能。

3.2浓度场特征

分别取下风向500m、1000m、2000m和3000m处地面横向浓度，比较了风洞实验结果与数值模拟计算结果的地面浓度分布情况，如图3.2所示。

由上图可知，总体上，数值模拟结果与风洞实验结果能表现出一致的变化趋势，且风洞实验与数值模拟表现出的地面浓度分布情况吻合较好。

4结论

总体上，风洞实验结果高于数值模拟结果，说明本次数值模拟所使用的k-ε模型低估了湍流动能，使得计算结果的浓度散步较小，垂向风廓变化趋势较陡。流场验证结果表明，本次案例所使用的CFD技术的模拟结果与风洞实验结果所表现出的趋势基本一致，但对于近地面由于复杂地形引起的空气动力学畸变特点未能表现出来。浓度场验证结果表明，本次案例所使用的CFD技术能够较好地模拟出污染物的输送与扩散规律，其结果与风洞实验结果的变化趋势一致，但近地面两者结果还存在一定的差异;但对于地面浓度的分布情况与风洞实验能较好的吻合。

通过比较数值模拟及风洞实验的流场特征及浓度分布特征，发现数值模拟结果与风洞实验结果表现出较一致的变化趋势，总体上CFD技术可以作为复杂地形和建筑物近场流動和扩散研究的一种较为有效的工具，但对于近地面，两者存在一定的差异性。

参考文献：

[1]《核电厂厂址大气扩散试验规范》（NB/T 20202-2013）.

[2]邰扬，申世飞等，基于Lagrangian-Eulerian耦合的放射性物质大气扩散模型研究，2021，43（1）：1-8.

[3]乔清党，姚仁太，郭占杰，等.内陆核电厂冷却塔对周围大气流动和污染物扩散影响的风洞实验研究[J].辐射防护，2011，13（3）：141-149.

[4]葛宝珠，陆芊芊，陈学舜等.放射性核素大气扩散数值模拟研究综述[J].环境科学学报，2021，41（5）：1599-1609.

[5]王博，郭瑞萍，张琼等.内陆核电厂冷却塔对大气扩散影响的CFD模拟[J].科技导报，2013，31（32）：34-41.

[6]郭栋鹏，闫函，姚仁太，等.复杂建筑物对近场扩散影响的数值与风洞模拟的比较分析[J].实验流体力学，2013，27（2）：56-62.

[7]Gromke C，Buccolieri R，Sabatino S D，et al.Dispersion study in a streetcanyon with tree planting by means of wind tunnel and numericalinvestigations-Evaluation of CFD data with experimental data [J].Atmospheric Environment，2008，42（37）：8640-8650.

[8]Ferziger J H，Peric M.Computational methods for fluid dynamics[M].Berlin：Springer，2002.

作者简介：王志远（1970-），男，本科，毕业于西北建筑工程学院（现为长安大学）供热通风空调专业。兼职设总及商务经理，研究方向为全面设计管理、技经管理和商务管理。