復雜廠址下污染物擴散的模擬研究

中圖分類號：X511

文章編號：1674-6139（2025）05-0042-06

文獻標志碼：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)境中的遷移與擴散備受關注，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)境影響評價具有重要意義[]。放射性核素大氣擴散過程的研究方法主要分為數值模擬、物理模擬和現場試驗三種基本手段。CFD（ComputationalFluidDynamics）技術即計算流體力學技術，以計算機模擬手段為基礎，可對流體流動、傳熱及化學反應等進行系統(tǒng)地分析，現已成為工程領域極其重要的研究手段，可以有效解決物理模擬和現場試驗存在的不足。

目前，國內外學者利用多種手段針對污染物在大氣環(huán)境中的遷移擴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，目前在該領域的研究還不夠深入，而復雜地形與建筑物近場流動及氣載放射性核素擴散問題一直是國內外非常關注的課題。文章選取某復雜廠址，開展基于該廠址實際地形的風洞實驗及CFD數值模擬工作，風洞實驗利用尖劈和粗糙元生成大氣邊界層，建立實際廠址的風洞模型開展實驗；CFD技術利用數值模擬軟件進行三維建模，采用 k-ε 湍流模型模擬復雜廠址下污染物的擴散情況及分布特征。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外在針對復雜環(huán)境下氣體擴散的研究多以大型現場實驗為主。如JackRabbitI和Ⅱ現場實驗[2-3]，2010 年進行的Jack Rabbit I實驗將大量液化氯由高2米的短管在30s內釋放，觀察了氣云在平坦開闊地形環(huán)境中氯氣的擴散規(guī)律;JackRabbitⅡ實驗分為兩個階段，分別在2015年和2016年進行，第一階段中使用集裝箱群來模擬城市區(qū)域，重點研究了液化氯在類城市區(qū)域中釋放后的擴散情況；第二階段研究了無障礙條件下不同的釋放朝向對液化氯擴散的影響。JackRabbit系列實驗旨在加深對氯氣在大氣中擴散的了解并為應急救援提供實際的指導。這些現場實驗大多在平坦開闊環(huán)境中進行，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)現當環(huán)境風速小于 1.5ms^-1 時，液化氯在空氣中的彌散過程較長且氣云沿順風方向的傳播速度很慢，所以這類實驗并不能完全揭示氣體在大氣環(huán)境中的擴散規(guī)律。

1.2 國內研究現狀

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

在數值模擬方面，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格內的放射性核素泄漏的擴散情況，研究結果可為定量評估核電站前期選址的潛在核泄漏環(huán)境風險提供依據。

2 風洞實驗模擬

2.1 實驗裝置及模型

實驗在大氣邊界層2號風洞實驗室內進行，風洞為直流下吹氣風洞，洞體全長 ^71.1m ，試驗段截面為 5m×3.5m ，長 28m 。本次實驗在中性層結條件下開展，進口氣流條件為：（1）近地層平均風廓線冪指數 P=0.16 ，模型頂部1 ∣200mm 處的風速 U=1.0m/s ;（2）實驗模型縮比為 1：1 000 。

流場測量裝置是丹麥DANTEC公司生產的MultichannelCTA多通道同步熱線風速儀，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 實驗原理

風洞實驗的基本原理是根據相似理論，兩個流動系統(tǒng)相似必須滿足一套確定的相似準則，除要求模型與原型之間實現幾何相似外，還要求運動相似和動力相似以及邊界條件相似。在本次實驗中，同樣滿足幾何相似、運動相似、邊界條件相似，其中運動相似的平均速度廓線遵從指數律，動力相似符合根本茂準則。

3 數值模擬

3.1數值模擬計算方法

數值模擬的基本求解方程為N－S方程，同時求解物種的濃度、質量和能量守恒方程。對于顆粒及氣溶膠的擴散，還要求解拉格朗日描述下的顆粒運動軌跡方程。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，以煙肉周邊復雜地形和建筑物群為研究對象，通過利用非結構化網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，開展基于實際地形的數值模擬，并將模擬結果與風洞實驗結果進行比較。

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速、溫度、物種濃度等，文章中人口邊界條件風速垂直剖面服從指數分布：

出口邊界為自由邊界，頂部和兩側邊界為光滑壁面，地面粗糙度設為10，壁面函數通過湍流邊界層的N－S方程中計算得到。計算時邊界層入口邊界條件風廓線、湍流廓線、模型頂部風速以及污染源排放條件均與風洞實驗相同。

3.3 三維建模

建立基于核電廠址實際地形的數值模擬，并選取該廠址某一機組在正常工況下進行模擬，模擬條件與風洞實驗條件保持一致。設置廠址煙囪高62.3m ，出口內徑 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，兼顧計算工作量和計算時間，對部分建筑做簡化處理。整個計算區(qū)域采用具有良好拓撲結構的非均勻非結構化六面體網格（網格總數約350萬個）。對應模擬區(qū)域地形網格采用近密遠疏的原則，地面最小網格水平尺寸為 0.1m 。

3.4 模擬工況

根據廠址區(qū)域氣象觀測資料統(tǒng)計結果，該區(qū)域主導風向為ESE，偏東（ENE、E、ESE、SE）和偏北（NW、NNW、N）幾個風向出現的風頻值也較大。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，考慮復雜廠址受地形影響較大，因此主要分析

ESE、S、N和NW風向下復雜地形對流場及濃度分布的影響。（見表1）

4 結果分析

4.1 風洞實驗結果與數值模擬結果比較

4.1.1 流場結果比較

通過模擬煙肉所排污染物的擴散情況，并與風洞實驗結果進行比較。為方便比較，CFD數值模擬與風洞實驗選擇相同測點進行比較，測點的位置見圖1，P1-P6為沿ESE風向上6個點的位置，其中P5點為煙肉位置。

分別比較了ESE風向下，風洞實驗和數值模擬結果各關注點歸一化速度隨高度的變化情況，如圖2所示。圖示中 坐標為歸一化速度（U/UO），y坐標為垂直方向高度（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，基本上數值模擬結果與風洞實驗的歸一化速度隨高度的變化趨勢吻合較好。近地面由于受復雜地形的影響，風洞實驗的結果略大于CFD結果，近地面兩者結果最大相差1.7倍。數值模擬結果中P2點在近地面 300m 以下的歸一化速度與風洞實驗結果表現出相反的趨勢，該點位于山頂附近，有氣流加速現象，而該現象本次數值模擬結果未表現出來。

4.1.2濃度結果比較

分別取下風向 500m，1000m，2000m 和3000m 處地面橫向濃度，比較了風洞實驗結果與數值模擬計算結果得到的地面濃度擴散因子分布情況，如圖3所示，圖中 坐標為與軸線的距離（X），y坐標為擴散因子取對數坐標（log（Diffusionfactor））。擴散因子定義為釋放每單位活性氣載核素在下風向某處造成的氣載核素濃度，量綱為 s/m³ O

總體上，數值模擬結果與風洞實驗結果表現出一致的變化趨勢，風洞實驗與數值模擬表現出的地面濃度分布情況吻合較好。

4.2數值模擬結果分析

4.2.1 流場結果

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，并與來流（in-flow）進行比較，圖示中 坐標為湍流動能（E），y坐標為高度（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，具體表現如下。從歸一化速度的比較結果可以看出，山體2對流場的影響表現在距地面高 150m 以下，且位于山體迎風側近地面 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，在山體迎風側近地面 40m 處速度虧損 81% 。綜合歸一化速度和湍流動能的比較結果可以看出，當污染物氣流遇到山體時，受到山體尾流區(qū)的影響，氣流爬坡或繞流，該區(qū)域內流線稀疏，風速較小，湍流動能較大；在山頂，氣流流線密集，風速較大。

4.2.2 濃度結果

為了考察各風向下污染物的濃度分布特征，對ESE、S、N和NW共4個實驗風向的污染物擴散分布情況進行分析，如圖5所示各風向下煙肉污染物地面軸線擴散因子的分布情況，圖示中 坐標為煙囪到下風向的距離（Downwinddistance），y坐標為擴散因子取對數坐標（ log （Diffusion factor））。

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

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

5結論

可以看出，風洞實驗結果高于數值模擬結果，說明此次案例所使用的CFD技術所使用的湍流模型低估了湍流動能，使得計算結果的濃度散布較小。通過比較數值模擬及風洞實驗的流場特征及濃度分布特征，發(fā)現數值模擬結果與風洞實驗結果表現出較一致的變化趨勢，但對于近地面由于復雜地形引起的空氣動力學畸變特點未能表現出來，近地面流場結果最大相差1.7倍。數值模擬結果給出了不同風向下的流場及濃度分布特征，流場結果表明，山體影響產生的速度虧損在 75%～81% 之間，濃度結果表明，不同風向下污染物地面軸線擴散因子的最大值變化范圍在1.8倍之內?？傮w上CFD技術可以作為復雜地形和建筑物近場流動和擴散研究的一種較為有效的工具。

參考文獻：

[1]王昕然，嚴超，陳凌，等.場區(qū)尺度風場和污染物擴散快速預測系統(tǒng)構建及應用[J].中國輻射衛(wèi)生，2023，32（4）：372-380.

[2]Hanna S，BritterR，ArgentaE，ChangJ，The Jack Rabbit chlorine release experiments：Implications of dense gas removal from a depression and downwind concentrations[J].Journal ofHazardousMaterials，2012，213-214，406-412.

[3]GantS，WeilJ，MonacheLD，etal.Densegasdispersionmodel development and testing for the Jack Rabbit II phase 1 chlorine release experiments[J].Journal of Hazardous Materials， 2018，192：218-240.

[4]吳思遠，賀金鵬，顧衛(wèi)國，等.基于風洞實驗的丘陵下墊面氣溶膠大氣擴散特性研究[J].原子能科學技術，2023，57（11）：2086-2093.

[5]李云鵬，李若潔，張俊芳，等.中性與穩(wěn)定層結條件下建筑物周圍流場與污染物擴散的風洞模擬研究[J].太原理工大學學報，2021，52（3）：404-410

[6]鄧存寶，金鈴子，等.高層建筑群對街谷內顆粒物擴散特性的影響[J].環(huán)境工程學報，2019，13（1）：147－153.

[7]單皖粵，梁玉函，王剛，等.核泄漏大氣擴散與環(huán)境風險模擬：以山東半島為例[J].環(huán)境科學學報，2024，44（6）：292-299.