建筑物及地形對小尺度擴散影響的風洞實驗研究

摘 要：本文針對典型濱海核電廠址開展小尺度范圍內(nèi)風洞模擬實驗研究，研究了小尺度范圍內(nèi)建筑物群及地形對局地流場及擴散的影響。風洞實驗模型縮比為1 ∶ 600，通過調(diào)整風廓線、湍強廓線及排放參數(shù)保證了物理模型與原型的相似。實驗研究了在年均風速及小風條件下建筑物和地形對流場的擾動，研究結果表明，在WNW ～ESE 風向軸線上，由于建筑物影響引起速度虧損和湍流強度增大，選擇建筑物周圍不同方位的測量點位置進行測量，可見不同的速度虧損與湍流強度變化。以煙囪和地面不同釋放高度進行了年均風和小風條件的示蹤實驗，年均風條件下，煙囪排放時ESE 風向軸向最大彌散因子為4. 05×10-5 s/ m3 ，軸向最大彌散因子的出現(xiàn)距離在240 m;近地面排放時軸向最大彌散因子為4. 79×10-3 s/ m3 ，軸向最大彌散因子的出現(xiàn)距離在45 m。

關鍵詞：風洞;小尺度;建筑物;小風條件

中圖分類號：X169 文獻標志碼：A

0 引言

放射性物質(zhì)的非正常釋放一直是環(huán)境風險和應急響應研究的重點，大氣擴散過程是核事故中放射性核素和污染物向周圍環(huán)境傳輸轉(zhuǎn)移的主要途徑之一，近距離的擴散會受到周圍建筑物的影響，因此放射性核素的近距離擴散模擬一直是人們關注的重點。目前精確描述建筑物構型和局地特征的CFD 模型和簡單處理建筑物的大氣擴散模型[1] 均可用于模擬近距離復雜流場，但對于精準估算污染物在復雜地形和建筑物周圍的擴散還很困難。大氣擴散模型的有效性需要實驗數(shù)據(jù)進行驗證，此類實驗數(shù)據(jù)主要來自野外大氣示蹤實驗和大氣邊界層風洞模擬實驗。大氣邊界層風洞模擬實驗是嚴格按照相似準則[2] 、在縮小的物理模型上再現(xiàn)實際物理過程的物理模擬方法，相對其它研究手段具有實驗條件可控、可重復、易于再現(xiàn)、不受實際天氣條件限制的優(yōu)點[3] ，可進行大量基礎性研究和機制性探索，因此風洞模擬實驗在研究復雜地形和建筑物近場流動與擴散問題方面起著非常重要的作用[4] 。LIU 等[5] 使用PIV（粒子圖像測速技術） 對低層建筑周圍的流動進行了實驗研究。Finnigan 等[6] 研究了單個山丘對大氣流動和污染物擴散的影響。Gupta 等[7] 使用風洞實驗量化了屋頂結構對羽流擴散的下洗效應。Zahid等[8] 基于風洞實驗及數(shù)值模擬研究了通道對高層建筑風場特性的影響。郭棟鵬等[9] 利用風洞實驗并結合 CFD 數(shù)值模擬技術模擬了復雜建筑物群對周圍流動與污染物擴散的影響。喬清黨等[10]采用風洞實驗和數(shù)值模擬研究了立方體建筑物頂部污染源所排放污染物的流動與擴散，這些研究都是基于簡單建筑物模型進行的。本文在上述研究的基礎上，以具有復雜建筑物及地形的實際核電廠址為研究對象，建立一定縮比的物理模型，研究污染物在實際廠址中的擴散規(guī)律。

本文選擇的是典型濱海核電廠址，研究近距離建筑物與地形影響下的流動及擴散特征。模擬區(qū)域半徑2 km，模擬風速包括年均風速與小風條件，模擬實驗的風向結合反應堆廠房、汽輪機廠房等建筑物組合體的布局確定，模擬釋放高度包括煙囪釋放與地面釋放，模擬實驗內(nèi)容包括垂直及水平流場分布， 空中、地面軸線及地面場濃度分布。

1 實驗方法

1. 1 廠址特征

實驗選取的典型核電廠址為濱海廠址，北、東、南三面環(huán)海，西面與山體相連，廠址周圍的山體與核電廠的反應堆安全殼、汽輪機廠房等建筑物組合體的尾流將影響污染物在廠區(qū)和鄰近地區(qū)的遷移和擴散。

該廠址包括6 臺反應堆機組，屬于典型多堆廠址。根據(jù)廠址工程布局，不同風向時各臺機組建筑物之間會相互影響，引起氣流的空氣動力學形變，從而影響污染物在廠區(qū)的流動與擴散。各臺機組反應堆廠房高度70 m，煙囪高度75 m。煙囪的高度略高于反應堆廠房的高度。煙囪內(nèi)徑1. 82 m×1. 98 m。廠址地形如圖1 所示。

1. 2 實驗設備及實驗條件

本實驗在中國輻射防護研究院1 號環(huán)境風洞實驗室完成，風洞洞體全長36 m，實驗段長17 m、寬1. 5 m、高1～ 1. 4 m，實驗段風速范圍為0. 2 ～20 m / s。本實驗使用的主要測量儀器和裝置包括流場探測儀和一氧化碳示蹤實驗測量系統(tǒng)，其中流場探測儀使用丹麥DANTEC 公司生產(chǎn)的Stream-Line 熱線風速儀（ 附有自動探頭標定裝置）、一維和二維熱線探頭。實驗中利用熱線風速儀二維（X 型） 探頭進行速度測量，整個熱線測量過程中采樣頻率為200 Hz，平均采樣時間為5 s;一氧化碳示蹤實驗測量系統(tǒng)采用一氧化碳（CO）為示蹤劑，整個測量系統(tǒng)包括：CO 釋放裝置、樣品采集系統(tǒng)、兩臺紅外氣體分析儀。采用CO 氣體作為示蹤劑，兩臺分析儀器配合使用，1 臺用于常量分析（量程為0 ～ 10%），1 臺用于微量分析（量程為0～2 000 ppm），可得到從微量濃度到高濃度的脈動測量結果。

樣品采集系統(tǒng)為多點采樣（30 點），采集時間為5 分鐘，采集結束后立即用紅外氣體分析儀進行測量，測量濃度為5 分鐘的平均濃度。

1. 3 相似準則的實用處理

（1）幾何相似。以二期工程3# 機組煙囪為中心，選擇WNW ～ ESE 風向進行模型制作，山體和反應堆建筑物群體的實驗模型縮比為1 ∶ 600，模擬區(qū)域半徑2 km。模型表面具有適當粗糙度，維持邊界條件和固壁粗糙條件相似。風洞模型示意圖如圖2 所示。

（2）運動學相似。根據(jù)運動學相似準則，以該核電廠址實際氣象觀測資料為依據(jù)建立風洞實驗背景流場結構，取上游平均風速廓線、湍流強度及其垂直分布等特征量作為運動學相似指標。實驗中氣流的速度剖面和湍流強度分布主要由速度車來控制，并輔以適當?shù)牡孛娲植谠?，從而維持運動學相似。根據(jù)該廠址氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該廠址D 類穩(wěn)定度的上游平均風速廓線指數(shù)為0. 12，圖3 給出了風洞模擬試驗中來流的風速廓線與湍強廓線。

（3）動力學相似。根據(jù)廠址鐵塔氣象資料，廠址地區(qū)80 m 高度處的年平均風速為4. 4 m / s，核電機組煙囪高度75 m。按照根本茂準則計算，小尺度年均風速條件下風洞中煙囪排放高度的風速為0. 49 m / s，小風條件下風洞中煙囪排放高度的風速為0. 32 m / s，年均風速條件下模型煙囪的排氣速率為1. 21 m / s，小風條件下模型煙囪的排氣速率為1. 20 m / s。

（4）邊界條件相似。模型與原型是幾何相似的，且滿足固壁粗糙條件，調(diào)節(jié)速度車和地面粗糙元使來流為湍流并滿足μ? ×z0 / υ gt;2. 5，即可滿足雷諾數(shù)自準的要求。

2 實驗結果及討論

2. 1 局地流場和湍流特征

核電廠址小尺度模擬范圍內(nèi)主要分布有廠區(qū)建筑物及周邊區(qū)域小部分山體。廠區(qū)建筑物密集，其中反應堆廠房高度70 m，其他建筑物高度10 m～50 m 不等。ESE 實驗風向下風向偏西方位有山體分布，山體最高高度155 m。廠區(qū)復雜的建筑物布局與山體的存在增加了小尺度范圍內(nèi)流場的復雜性。氣流流態(tài)受山體和建筑物的幾何形狀和尺寸變化影響，流向與流速發(fā)生改變，湍流強度增大;近距離影響程度大，遠距離影響程度小，高大建筑物附近的擾動影響尤為顯著。

年均風速條件下的實驗結果表明，流場受到廠區(qū)范圍內(nèi)建筑物的影響，風速普遍減小至來流風速的30%左右，湍流強度增大到0. 4 左右。如圖4 和圖5 所示，在ESE 風向，氣流經(jīng)過反應堆廠房后在下風距離130 m 左右速度虧損達到最大，其速度約為來流的26%左右，湍流動能也達到最大，湍流強度增大到0. 38。隨后氣流經(jīng)過一期工程建筑物，擾動影響較大，隨著下風距離的增加流動逐漸接近來流狀態(tài)。

從歸一化速度與縱向湍流強度可以看出，測量點位置不同，影響因素與影響程度不同，造成不同的速度虧損與湍流強度。圖6 給出了小尺度風洞模擬實驗典型實驗風向下，在煙囪下風向不同距離處平均速度的觀測值，和受建筑物和地形高度影響所確定的縱向湍流強度的尾流區(qū)域示意圖，同時給出了廠址上游受建筑物與地形影響的區(qū)域。

實驗數(shù)據(jù)顯示了該地區(qū)由于地形和建筑物的影響湍流場空間分布不均勻，表現(xiàn)出湍流的非定常效應，特別是在回流區(qū)和強湍流區(qū)表現(xiàn)更為明顯。WNW～ ESE 風向軸線上，由于流動連續(xù)受到一期與二期工程反應堆廠房影響，ESE 風向還受到部分地形和建筑物擾動性影響，相比其他風向速度虧損和湍流強度增大明顯。

2. 2 擴散特征

為了反映近場建筑物群對煙囪排放煙羽遷移擴散的影響，以煙囪設計高度（Hs = 75 m）和近地面（10 m）為示蹤劑釋放點，開展了大量的示蹤實驗，包括年均風速與小風風速兩種條件下的實驗。

2. 2. 1 垂向濃度分布

選擇距離釋放點不同距離的代表性點V1 ～V5 進行垂向濃度的測量以反映關注區(qū)域的濃度分布。代表性點位選擇原則是：山體背風坡，以考察山體尾流對大氣彌散的影響情況;山側，以考察地形引起的繞流特征;建筑物密集區(qū)域，以考察復雜建筑物群對流場和濃度分布的擾動。由于有些點位偏離軸線較遠，故某些點位的垂向濃度近似為零。圖7 給出了ESE 風向年均風速與小風條件下代表性點位的垂向濃度分布。其中，V1、V2、V3、V4、V5 分別代表下風向距釋放點軸線300 m、1 000 m、2 000 m、3 600 m 和6 000 m 的5 個代表性測量點位。總體上，濃度水平分布近似為高斯型。但是當煙羽運行到山體和建筑物兩側時，氣流紊亂，受其影響濃度水平呈偏態(tài)分布。濃度的垂直分布近似呈高斯分布，但由于空氣動力下洗的影響，煙羽軸線明顯下傾。年均風速條件下，近地面釋放時，地面最大濃度高于煙囪釋放將近1個數(shù)量級，最大落地點在1 000 m，濃度隨高度的衰減較劇烈。煙囪釋放時， 最大落地點為3 600 m，濃度隨高度的變化較緩慢。小風條件下，兩種釋放高度的濃度廓線變得比較復雜，近地面釋放的垂直衰減還是強于煙囪釋放，煙囪釋放的垂直擴散比年均風條件下增強。

2. 2. 2 地面濃度分布

為了反映不同排放高度及不同風速條件下流動對彌散情況的影響，開展了大量的地面濃度示蹤實驗，包括了兩個排放高度煙囪排放（c-1. 0H）與近地面10 m 排放（c-10m）。圖8 給出了ESE風向不同風速和不同排放高度條件下地面軸線大氣彌散因子的變化情況。圖9、圖10 給出了ESE風向不同風速和不同排放高度條件下大氣彌散因子的分布情況。

（1）地面最大彌散因子及其出現(xiàn)距離

在年均風速、煙囪設計排放高度時，煙囪排放軸向最大彌散因子為4. 05×10-5 s/ m3 ，出現(xiàn)距離在240 m，此處為2# 反應堆廠房上方;近地面排放軸向最大彌散因子為4. 79×10-3 s/ m3 ，出現(xiàn)距離在45 m。近地面釋放時受建筑物影響較大，由于釋放點在建筑物密集區(qū)，各建筑物幾何結構不同，引起流場的空氣動力學畸變，尾流區(qū)及建筑物間的罅隙效應，使得濃度場的分布與常規(guī)不同，與局地建筑物特征密切相關。

在小風、煙囪設計排放高度時，煙囪排放在ESE 風向下的軸向最大彌散因子為3. 00×10-5 s/m3 ，出現(xiàn)位置同樣在2#反應堆廠房上方，下風距離240 m 處;近地面排放ESE 風向的軸向最大彌散因子為2. 08×10-2 s/ m3 ，出現(xiàn)距離為40 m。小風條件下，建筑物對煙囪釋放的影響與年均風幾乎相同，但對近地面釋放的影響比較大，建筑物的分布及具體釋放位置是污染物分布的重要影響因素。

（ 2）煙囪排放高度對擴散結果的影響分析

有效排放高度的增加，使得地面建筑物及地形的影響減小，建筑物的抬升作用延長了出現(xiàn)最大濃度的下風距離，近距離的地面濃度大幅度降低，有效地降低了最大落地濃度，從而也改變了軸向彌散因子的分布特征。

煙囪排放與近地面排放時的地面軸線污染物的分布存在一定的差異，主要表現(xiàn)在：煙囪排放時軸向彌散因子的分布近似為單峰型，排放污染物在225～ 840 m 左右達到最大，之后隨著距離增加而減小;近地面排放時軸向彌散因子的分布近似呈連續(xù)下降的趨勢;在近距離，近地面排放時軸向彌散因子明顯大于煙囪排放時的彌散因子;隨著下風距離的增加，兩個排放高度的地面軸向彌散因子變化逐漸趨于一致。

3 結果討論

本項研究以典型濱海核電廠址煙囪為中心開展了小尺度、不同風速條件下流場與濃度場的大量風洞模擬實驗。根據(jù)實驗結果可對廠址小尺度范圍的流場及湍流特征有一個直觀與定量的認識，為模式驗證提供了豐富的數(shù)據(jù)集。本次風洞實驗研究可以得出以下結論：

（1）小尺度范圍內(nèi)流動主要受到廠區(qū)范圍內(nèi)建筑物的影響，WNW～ ESE 風向軸線上，由于流動連續(xù)受到一期與二期工程反應堆廠房影響，速度虧損和湍流強度增大較其他風向明顯。

（2）風速與湍流強度受影響情況相似，差異主要表現(xiàn)在：小風條件下風速相對于來流廓線速度虧損較小，湍流強度在兩種風速條件下無顯著差異;整體來看，年均風速條件下尾流影響高度略高一些。

（ 3）在年均風速、煙囪設計排放高度排放時，煙囪排放時軸向最大彌散因子為4. 05×10-5 s/ m3 ，軸向最大彌散因子的出現(xiàn)距離在240 m 之間，此處為2#反應堆廠房上方;近地面排放時軸向最大彌散因子在4. 79×10-3 s/ m3 ，軸向最大彌散因子的出現(xiàn)距離在45 m。

（4）煙囪排放與近地面排放時的地面軸線污染物的分布存在一定的差異，主要表現(xiàn)在：煙囪排放時軸向彌散因子近似為單峰型分布，排放污染物在225～ 840 m 左右達到最大，之后隨著距離增加而減小;近地面排放時軸向彌散因子的分布近似呈連續(xù)下降的變化趨勢;在近距離近地面排放時的軸向彌散因子明顯大于煙囪排放時的軸向彌散因子;隨著下風距離的增加，兩個排放高度的地面軸向彌散因子的變化逐漸趨于一致。

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