復(fù)雜廠址下污染物擴(kuò)散的模擬研究

中圖分類號：X511

文章編號：1674-6139（2025）05-0042-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Simulation Analysis of Pollutant Dispersion at Complex Plant Sites

Li Y_u^1，2 ，Li Hangyun3，Li Yunpeng1，2，Yao Rentai1，2，Guo Dongpeng4

（1 China Institute for Radiation Protection，Taiyuan O3Oo6，China;

2 CNNCKey Laboratoryof Simulationand Assessment Technology for Nuclear Environment，Taiyuan O30o06，China; 3 China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.Hebei Branch，Shijiazhuang O5O01，China；

4 Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan O3oO24，China）

Abstract：ThisarticleselectsacomplexplantsitetoconductwindtunnelexperimentsandCFDnumericalsimulationbasedonteactualterrainoftesiteByomparingthefowfeldandoncentratiosultsofumercalsimulatioandwidtuelexperimentsitisfound thatbothhowconsistenttrendsofchang，withtheflowfeldresultswithin1.7timesofeachother.Teumericalsimulationresultsana lyzedthempactofteunderlyingsuaceoteowfeldandconcentratiounderdiferentwinddiretios，ithteveloiyeficitusd by the mountain effect ranging from 75% to 81% ，and the maximum variation range of the ground-level diffusion factor for polltants under diferentiddetiosngi.isOveralaosidedslatielyietofrtdfar -fieldflowand diffusionovercomplexterrainand buildings，buttherearecertaindiferencesnearthegroundsurface.

Key words：nuclear power plant；atmospheric diffusion；numerical simulation；wind tunnel experiment

前言

核電廠放射性核素在大氣環(huán)境中的遷移與擴(kuò)散備受關(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，對于核電廠的規(guī)劃以及環(huán)境影響評價(jià)具有重要意義[]。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、物理模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)三種基本手段。CFD（ComputationalFluidDynamics）技術(shù)即計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)模擬手段為基礎(chǔ)，可對流體流動、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行系統(tǒng)地分析，現(xiàn)已成為工程領(lǐng)域極其重要的研究手段，可以有效解決物理模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)存在的不足。

目前，國內(nèi)外學(xué)者利用多種手段針對污染物在大氣環(huán)境中的遷移擴(kuò)散問題開展了大量研究，但由于核電廠正常工況下放射性氣載流出物在大氣環(huán)境中受到局地氣象條件的影響，且涉及空間范圍大，目前在該領(lǐng)域的研究還不夠深入，而復(fù)雜地形與建筑物近場流動及氣載放射性核素?cái)U(kuò)散問題一直是國內(nèi)外非常關(guān)注的課題。文章選取某復(fù)雜廠址，開展基于該廠址實(shí)際地形的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及CFD數(shù)值模擬工作，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)利用尖劈和粗糙元生成大氣邊界層，建立實(shí)際廠址的風(fēng)洞模型開展實(shí)驗(yàn)；CFD技術(shù)利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行三維建模，采用 k-ε 湍流模型模擬復(fù)雜廠址下污染物的擴(kuò)散情況及分布特征。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外在針對復(fù)雜環(huán)境下氣體擴(kuò)散的研究多以大型現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為主。如JackRabbitI和Ⅱ現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)[2-3]，2010 年進(jìn)行的Jack Rabbit I實(shí)驗(yàn)將大量液化氯由高2米的短管在30s內(nèi)釋放，觀察了氣云在平坦開闊地形環(huán)境中氯氣的擴(kuò)散規(guī)律;JackRabbitⅡ?qū)嶒?yàn)分為兩個(gè)階段，分別在2015年和2016年進(jìn)行，第一階段中使用集裝箱群來模擬城市區(qū)域，重點(diǎn)研究了液化氯在類城市區(qū)域中釋放后的擴(kuò)散情況；第二階段研究了無障礙條件下不同的釋放朝向?qū)σ夯葦U(kuò)散的影響。JackRabbit系列實(shí)驗(yàn)旨在加深對氯氣在大氣中擴(kuò)散的了解并為應(yīng)急救援提供實(shí)際的指導(dǎo)。這些現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)大多在平坦開闊環(huán)境中進(jìn)行，氣體的釋放量巨大且都為重氣體，受到大氣流動的影響相對較小。Hanna等（2012）[2]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于 1.5ms^-1 時(shí)，液化氯在空氣中的彌散過程較長且氣云沿順風(fēng)方向的傳播速度很慢，所以這類實(shí)驗(yàn)并不能完全揭示氣體在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散規(guī)律。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)為應(yīng)對核設(shè)施廠址等特殊情景下的輻射環(huán)境影響評價(jià)研究，以及在發(fā)生突發(fā)事件條件下污染物擴(kuò)散分布評價(jià)的需要，開展了大量的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬模式研究。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法逐漸成為研究核素大氣擴(kuò)散規(guī)律的有效手段。中國的環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要發(fā)展于上個(gè)世紀(jì)70年代，從90年代末以來開展了復(fù)雜條件場址的污染物擴(kuò)散的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究工作，研究內(nèi)容主要包括復(fù)雜山體、城市小區(qū)、城市街區(qū)峽谷內(nèi)、建筑物尾流區(qū)和受限空間場所的污染物擴(kuò)散。從90年代初開展風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，姚仁太等開展了大量的復(fù)雜地形、復(fù)雜建筑物對流動和擴(kuò)散影響的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。近幾年，如吳思遠(yuǎn)（2023）等[4針對典型下墊面開展了氣溶膠大氣擴(kuò)散風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高斯模型在丘陵下墊面的適用度有限;李云鵬（2021）等[5]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了中性和穩(wěn)定層結(jié)條件下建筑物周圍流場與污染物擴(kuò)散規(guī)律。

在數(shù)值模擬方面，如鄧存寶等（2019）[6利用大渦模擬方法，研究了街谷形狀因子對空氣流動與污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響，為城市規(guī)劃提供了參考；單皖粵等（2024）[7]利用CALPUFF模型定量模擬了核電站在不同沿海網(wǎng)格內(nèi)的放射性核素泄漏的擴(kuò)散情況，研究結(jié)果可為定量評估核電站前期選址的潛在核泄漏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及模型

實(shí)驗(yàn)在大氣邊界層2號風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)洞為直流下吹氣風(fēng)洞，洞體全長 ^71.1m ，試驗(yàn)段截面為 5m×3.5m ，長 28m 。本次實(shí)驗(yàn)在中性層結(jié)條件下開展，進(jìn)口氣流條件為：（1）近地層平均風(fēng)廓線冪指數(shù) P=0.16 ，模型頂部1 ∣200mm 處的風(fēng)速 U=1.0m/s ;（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s比為 1：1 000 。

流場測量裝置是丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的MultichannelCTA多通道同步熱線風(fēng)速儀，二維熱線探頭，測量速度范圍： 0.2m/s～300m/s ，精確度：±1.5% 或 ±0.02m/s 。濃度測量儀器包括自動采樣器和氣象色譜儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基本原理是根據(jù)相似理論，兩個(gè)流動系統(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)動相似和動力相似以及邊界條件相似。在本次實(shí)驗(yàn)中，同樣滿足幾何相似、運(yùn)動相似、邊界條件相似，其中運(yùn)動相似的平均速度廓線遵從指數(shù)律，動力相似符合根本茂準(zhǔn)則。

3 數(shù)值模擬

3.1數(shù)值模擬計(jì)算方法

數(shù)值模擬的基本求解方程為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)動軌跡方程。對于湍流模式，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：

（1）物種守恒濃度：

m=1，2，3，…，n

（2）連續(xù)性方程：

式（1）對所有物種求和，得到連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）

（3）Navier-Stokes方程（動量守恒）：

（4）能量守恒：

在此研究中，以煙肉周邊復(fù)雜地形和建筑物群為研究對象，通過利用非結(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。

3.2 邊界條件

主區(qū)域邊界、地面以及障礙物上需要給定邊界條件，邊界條件分入口、出口及壁面共三類。入口邊界包括入口風(fēng)速、溫度、物種濃度等，文章中人口邊界條件風(fēng)速垂直剖面服從指數(shù)分布：

出口邊界為自由邊界，頂部和兩側(cè)邊界為光滑壁面，地面粗糙度設(shè)為10，壁面函數(shù)通過湍流邊界層的N－S方程中計(jì)算得到。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。

3.3 三維建模

建立基于核電廠址實(shí)際地形的數(shù)值模擬，并選取該廠址某一機(jī)組在正常工況下進(jìn)行模擬，模擬條件與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件保持一致。設(shè)置廠址煙囪高62.3m ，出口內(nèi)徑 3m ，排放速度 14.6m/s ，排放溫度 ，排放污染物為 co 。

研究區(qū)域范圍為 5km×5km ，廠區(qū)構(gòu)筑物按1：1 建模，模型垂直方向自地面至 3 000m ，以下密上疏形式垂向不等距分為30層。在模型的建立過程中，兼顧計(jì)算工作量和計(jì)算時(shí)間，對部分建筑做簡化處理。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用具有良好拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非均勻非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格（網(wǎng)格總數(shù)約350萬個(gè)）。對應(yīng)模擬區(qū)域地形網(wǎng)格采用近密遠(yuǎn)疏的原則，地面最小網(wǎng)格水平尺寸為 0.1m 。

3.4 模擬工況

根據(jù)廠址區(qū)域氣象觀測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋SE，偏東（ENE、E、ESE、SE）和偏北（NW、NNW、N）幾個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)的風(fēng)頻值也較大。由于廠址東南區(qū)域和西北區(qū)域分別有起伏山脈和丘陵分布，考慮復(fù)雜廠址受地形影響較大，因此主要分析

ESE、S、N和NW風(fēng)向下復(fù)雜地形對流場及濃度分布的影響。（見表1）

4 結(jié)果分析

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

4.1.1 流場結(jié)果比較

通過模擬煙肉所排污染物的擴(kuò)散情況，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。為方便比較，CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)選擇相同測點(diǎn)進(jìn)行比較，測點(diǎn)的位置見圖1，P1-P6為沿ESE風(fēng)向上6個(gè)點(diǎn)的位置，其中P5點(diǎn)為煙肉位置。

分別比較了ESE風(fēng)向下，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2所示。圖示中 坐標(biāo)為歸一化速度（U/UO），y坐標(biāo)為垂直方向高度（Height）。

由圖2可知， k-ε 模型能較好的模擬出地形與建筑物對流場的影響，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吻合較好。近地面由于受復(fù)雜地形的影響，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果略大于CFD結(jié)果，近地面兩者結(jié)果最大相差1.7倍。數(shù)值模擬結(jié)果中P2點(diǎn)在近地面 300m 以下的歸一化速度與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相反的趨勢，該點(diǎn)位于山頂附近，有氣流加速現(xiàn)象，而該現(xiàn)象本次數(shù)值模擬結(jié)果未表現(xiàn)出來。

4.1.2濃度結(jié)果比較

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)果得到的地面濃度擴(kuò)散因子分布情況，如圖3所示，圖中 坐標(biāo)為與軸線的距離（X），y坐標(biāo)為擴(kuò)散因子取對數(shù)坐標(biāo)（log（Diffusionfactor））。擴(kuò)散因子定義為釋放每單位活性氣載核素在下風(fēng)向某處造成的氣載核素濃度，量綱為 s/m³ O

總體上，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一致的變化趨勢，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。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 流場結(jié)果

如圖4所示受山體影響的湍流動能比較，分別取山前（front）、山后（behind）的點(diǎn)，并與來流（in-flow）進(jìn)行比較，圖示中 坐標(biāo)為湍流動能（E），y坐標(biāo)為高度（Height）。由圖可知，山體1對氣流的影響比山體2對氣流的影響要大，具體表現(xiàn)如下。從歸一化速度的比較結(jié)果可以看出，山體2對流場的影響表現(xiàn)在距地面高 150m 以下，且位于山體迎風(fēng)側(cè)近地面 40m 處速度虧損為 75% ;而山體1對流場的影響在距地面 200m 以下較為顯著，在山體迎風(fēng)側(cè)近地面 40m 處速度虧損 81% 。綜合歸一化速度和湍流動能的比較結(jié)果可以看出，當(dāng)污染物氣流遇到山體時(shí)，受到山體尾流區(qū)的影響，氣流爬坡或繞流，該區(qū)域內(nèi)流線稀疏，風(fēng)速較小，湍流動能較大；在山頂，氣流流線密集，風(fēng)速較大。

4.2.2 濃度結(jié)果

為了考察各風(fēng)向下污染物的濃度分布特征，對ESE、S、N和NW共4個(gè)實(shí)驗(yàn)風(fēng)向的污染物擴(kuò)散分布情況進(jìn)行分析，如圖5所示各風(fēng)向下煙肉污染物地面軸線擴(kuò)散因子的分布情況，圖示中 坐標(biāo)為煙囪到下風(fēng)向的距離（Downwinddistance），y坐標(biāo)為擴(kuò)散因子取對數(shù)坐標(biāo)（ log （Diffusion factor））。

由圖5可知，不同風(fēng)向下污染物地面軸線擴(kuò)散因子最大值的變化范圍在1.8倍之間。最大值0.1×10^-4s/m³ 出現(xiàn)在ESE風(fēng)向下距煙鹵約 300m 處，煙肉處于山體2的尾流區(qū)范圍內(nèi)，不利于污染物的擴(kuò)散，山體及廠房建筑對煙肉污染物擴(kuò)散的影響較大;最小值 0.55×10^-5s/m³ 出現(xiàn)在S風(fēng)向下距煙肉約 320m 處，煙肉下風(fēng)向地形較為平坦，污染物擴(kuò)散受地形建筑影響較小，有利于污染物的擴(kuò)散。其中ESE、NW和S風(fēng)向地面軸線擴(kuò)散因子的最大值均出現(xiàn)在距煙肉下風(fēng)向 500m 范圍內(nèi)，該處為廠址建筑物群的尾流區(qū)，煙流受到建筑物的尾流作用，污染物聚集而產(chǎn)生了濃度峰值;NW、N風(fēng)向在下風(fēng)向不同位置處均出現(xiàn)了較大幅度的谷值，這主要是由于復(fù)雜地形的影響，山體或建筑物對煙羽的繞流作用而產(chǎn)生的。N風(fēng)向下污染物的擴(kuò)散主要受到了山體繞流影響，由于山體的繞流，污染物在山體背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了空腔區(qū)，因而該風(fēng)向下出現(xiàn)了地面軸線擴(kuò)散因子值較小。而NW風(fēng)向主要受到廠房建筑的繞流影響而出現(xiàn)了地面軸線擴(kuò)散因子的較小值。

綜合來看，ESE風(fēng)向下煙羽主要受到山體2的影響，NW和N風(fēng)向下煙羽主要受到山體1的影響。

5結(jié)論

可以看出，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果高于數(shù)值模擬結(jié)果，說明此次案例所使用的CFD技術(shù)所使用的湍流模型低估了湍流動能，使得計(jì)算結(jié)果的濃度散布較小。通過比較數(shù)值模擬及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流場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，但對于近地面由于復(fù)雜地形引起的空氣動力學(xué)畸變特點(diǎn)未能表現(xiàn)出來，近地面流場結(jié)果最大相差1.7倍。數(shù)值模擬結(jié)果給出了不同風(fēng)向下的流場及濃度分布特征，流場結(jié)果表明，山體影響產(chǎn)生的速度虧損在 75%～81% 之間，濃度結(jié)果表明，不同風(fēng)向下污染物地面軸線擴(kuò)散因子的最大值變化范圍在1.8倍之內(nèi)。總體上CFD技術(shù)可以作為復(fù)雜地形和建筑物近場流動和擴(kuò)散研究的一種較為有效的工具。

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