放射性土壤颗粒的迁移模拟大气环境使用CFD-DEM加上经验公式

文摘

放射性粒子迁移从土壤表面放射性物质分布预测是一个因素在核事故之后,尤其是对放射性处置的决策支持。考虑到连续发射,碰撞,回贴的放射性粒子,一个创造性的模拟方法提出了一种耦合模型,实证模型和CFD-DEM相结合方法,并建立了模拟放射性粒子的二次发射和运动。放射性粒子的源项估计CFD-DEM的实证模型作为输入。对于粒子运动的特点,spout-fluidized床模拟耦合模型符合被称为模拟结果和实验数据,验证了该模型的正确性。耦合模型应用于模拟放射性粒子分布和迁移面临的nonconfined向后一步(NBFS)。仿真表明,放射性粒子的分布特征和迁移通量可以详细估计该模型,可以帮助提供更多的放射性处理核事故后的实际信息。

1。介绍

在过去近10年以来福岛核电站(FDNPP)事故,沉积粒子的二次发射,由于气动压紧后夹带等因素和土壤颗粒的破碎,是大气中放射性铯的主要来源1,2]。从土壤中放射性粒子表面的迁移会造成持续的再污染的清洁地面。对环境有害的辐射,净化成本增加(3]。福岛核事故的教训之一就是减少污染的技术费用,包括去污的临时存储浪费,土壤在容器、浪费,运输体积减少浪费,和暂时的,临时的,和最后一次存储的浪费,应开发针对核事故放射性去污后的巨大成本(4]。因此,土壤的迁移的影响对环境放射性粒子核事故后必须评估。

数值模拟可以直观地评估有害辐射核事故条件下,快速预测该地区的放射性粒子迁移(5]。在这个工作中,两类模型、经验公式和粒子运动模型(6),从表面耦合计算源项和运动的放射性粒子,分别是两个关键点来预测迁移从地面放射性粒子。

前面的方法经验公式估算大气中粒子的放射性浓度在核事故之后,旨在预测发射使用公式或相关性。例如,再悬浮的因素提出了波多野和波多野7)用于准确地估算污染物的存款日期。实证模型由Loosmore领导和一个129年NCRP更新模型的数据(8再悬浮的短期预测。一个新的再悬浮模型,命名为size-resolved,一维的再悬浮方案,提出了不能等(9]估计大气中粒子的放射性浓度FDNPP附近,因为核事故后的二次发射。基于宏观性质的描述,经验模型可以快速评估放射性粒子的再悬浮的因素;然而,它不能模拟进化过程再悬浮的放射性粒子,这是必要的计算的粒度分布6]。

最近,越来越关注发展的粒子运动的数值方法预测粒子分布。大气环境中的放射性土壤颗粒运输解体后颗粒表面接触的气流,这是气固耦合的现象。耦合的计算流体动力学(CFD)与离散单元法(DEM)是最常用模型的粒子运动,可以捕捉气固的复杂的物理过程。这种技术已经被广泛应用于许多领域,如流化管道流和壁面流。赵和山10)使用CFD-DEM模型解决了两个典型的地质力学问题,分析了沙堆形成特点。公园等。11]使用CFD-DEM模拟liquid-gas-particle混合物相比,大坝破坏和数值模拟的结果和实验来验证应用程序多相流。伊克巴尔和Rauh12]调查使用CFD-DEM粒子运动的细节,这证明与实验数据一致性。

在这部作品中,提出的模型被认为是在核紧急情况如下:(1)该模型将用于评估放射性土壤颗粒的迁移过程从土壤表面,(2)纯化剂领域将是准确区分基于评估模型在核事故的中间和最后阶段。考虑到连续发射,碰撞,回贴的放射性粒子,耦合模型,结合CFD-DEM和实证模型,提出了模拟放射性粒子分布和迁移在核电站附近的梯田。在提出的模型中,放射性粒子源项,这是估计的CFD-DEM经验模型作为输入,可以提供更多的实际信息的粒子和解决经验模型的局限性。此外,考虑核应急和计算效率,持续的进步从土壤中排放的放射性粒子表面进行了简化,和土壤表面都被视为一个墙代替多层床。

2。方法

放射性粒子运输解体后颗粒表面接触的气流。在这个模型中(如图1),排放的放射性土壤颗粒表面的精确估计的放射性粒子发射模型和用作CFD-DEM仿真的输入;颗粒流体粒子表面,并计算了粒子与粒子之间的相互作用过程中CFD-DEM粒子迁移。因为土壤排放的放射性粒子的边界条件难以确定,耦合迁移的经验公式与粒子跟踪算法可以快速估算放射性粒子发射的通量在核事故条件下的土壤表面。

2.1。放射性粒子发射

该模型旨在描述连续放射性粒子发射地面由于风成过程,这两个部分组成:放射性评估单一土壤粒子和放射性粒子通量的计算。

2.1.1。土壤放射性单粒子

假设土壤放射性核素一致坚持球形粒子。放射性估计方程的放射性粒子直径(μ米)如下: 在哪里(Bq)是放射性物质的表面积测量土壤样本观测点,(m²)的总和所有土壤颗粒的表面积,和(Bq)是单一的放射性粒子直径在单位面积土壤表面。

2.1.2。放射性粒子通量

放射性粒子排放的解决方案过程包括两个步骤:估算放射性粒子通量和计算发射粒子数。

放射性粒子通量通过长期稳定的粉尘通量模型,用于描述摩擦速度和粉尘通量之间的关系(13]。砂壤土和粉砂质壤土,这个模型已成功应用于估计FDNPP附近大气中放射性粒子浓度(9虽然经验公式有一定的误差。量化误差的公式并不是这项工作的重点。实验式旨在估计这个数字生成的放射性土壤颗粒表面上,它只作为CFD-DEM模拟的输入。

放射性粒子通量( )估计由以下方程:

摩擦速度 可以计算如下(14]: 在哪里 是平均气流速度,模型的水力直径,是空气动力粘性系数,雷诺数是基于什么 。

每秒发射粒子的数量从土壤表面通量的计算域可以计算如下: 在哪里是土壤粒子的密度。

双向耦合,这表明流体相和颗粒相之间的相互作用,被认为是在以下CFD-DEM方法。在这种方法中,颗粒相的运动是民主党获得的方法,同时确定了流体相的CFD计算单元范围内。在每个时间步,民主党提供信息来评价孔隙度和体积流体阻力的计算单元,如土壤放射性粒子的位置和速度。为CFD流体领域将取决于使用这些数据,产生流体阻力的力量作用于单个粒子。由此产生的力量整合到民主党会产生单个粒子的运动信息为下一个时间步(15]。

2.2。解决方案的气流场

为了说明颗粒相的影响在气相,气相体积分数的概念应用于解决气流场,计算在计算域。该模型的适用性必须考虑核紧急状态下,和计算效率主要是考虑。标准的优势k- - - - - -ε模型从数值计算的角度是健壮的和可靠的,特别是对于外部流动(16]。基于标准的k- - - - - -ε模型中,气流场的存在固相由平均n - s方程解决(5)和(6)。

质量守恒方程如下:

谈话动量方程如下: 在哪里气流场的体积分数;放射性粒子的体积分数, ; 是大气密度;气流的速度;是气流的应力张量;粒子的体积吗 ; 粒子的速度吗 ;和是粒子和气流之间的动量交换系数。

在这项研究中,由以下方程描述的动量交换系数(17,18]: 在哪里是阻力系数,计算粒子雷诺数的函数( )。

2.3。放射性粒子跟踪

在放射性粒子运动,粒子迁移从表面由气流场和接合表面上或与其他粒子碰撞。三种类型的部队被认为是(如图2)在这个工作:流体强迫(阻力和压力),重力,接触力(法向力和切向力)。颗粒小于约100μ米直径主要考虑耦合模型的应用程序,因为它们完全resuspended正常风速的气氛。更大的粒子效果并不认为,因为它们限制滚动或爬在表面19),和不使用升力模型。所有力量在粒子的影响导致粒子的平移和旋转,由牛顿第二定律和角动量的平衡。每个粒子上的力和力矩,粒子迁移过程中解决的翻译运动方程和旋转运动方程,分别。此外,接触力解决基于soft-sphere模型(20.(显示在右边的图2)。

2.3.1。翻译运动方程

根据牛顿第二运动定律,平移运动的粒子可以解决以下方程: 在哪里粒子的质量吗 ; , ,和粒子之间的法向力吗和 ,粒子之间的切向力和 ,分别和颗粒间的粘滞阻尼力;和和分别是流体质点的阻力和压力。

法向力是通过一个线性弹簧阻尼器模型如下: 在哪里 是正常的弹簧刚度,粒子与接触点的法线方向重叠,正常的单位向量,正常的阻尼,分别在接触点和正常速度。

切向接触力是通过库仑型摩擦定律如下: 在哪里 切向弹簧刚度,粒子在切线方向位移,切向单位向量,切向阻尼、摩擦系数,分别和切向速度在接触点。

2.3.2。旋转运动方程

粒子的旋转运动可以由以下方程描述: 在哪里角动量的粒子吗 ; 是粒子的惯性动能 ; 切向力的转矩;和是滚动摩擦转矩。

方程的详细解决方案(5)- (12)是指宗教et al。20.]。

2.4。放射性物质的迁移放射性粒子

放射性粒子的不断生成和迁移会产生有害的辐射在一个干净的环境。放射性粒子迁移通量的概念,提出了应用于估计的辐射危害由于放射性粒子迁移。迁移放射性粒子的放射性的预测可以帮助应急决策者采取行动来减少损失尽快。考虑到放射性核素衰变,迁移放射性粒子的辐射模型可以描述由以下方程: 在哪里是放射性半衰期;放射性核素的衰变常数;(Bq)是放射性的逃脱了放射性粒子计算域;和是逃跑的放射性粒子的数量,通过模拟。

放射性粒子迁移通量(Bq·米⁻²)的单位面积土壤表面可以定义如下:

3所示。验证

放射性土壤颗粒的分布和迁移是这项工作的重点。一个土壤粒子的辐射和放射性粒子通量可以通过方程估计(1)- (4),放射性物质从土壤中放射性粒子表面的变化主要受土壤颗粒的运动的影响。因此,主要是验证的耦合模型模拟粒子的运动。spout-fluidized床具有相同的几何形状和边界条件用于研究伊克巴尔和Rauh12和链接等。21]。伊克巴尔和Rauh描述粒子的迁移分布,由实验验证的链接et al。因此,粒子分布模拟从伊克巴尔和Rauh和粒子速度的实验环节等人应用来验证该模型的正确性。

从图3,伊克巴尔和Rauh spout-fluidized床0.154米×0.084米,高度为1.0米,喷口面积0.022米×0.012米。域模型的有21 14××100个细胞与结构化网格;44800个粒子的直径0.004米,2526公斤的密度⁻³在计算领域,统一设置。

测试用例描述的B3 Ref。21)是用于验证。喷口气体速度是65 m·s⁻¹,背景气体速度是3.5 m·s⁻¹。图4(一)显示了粒子分布在0.5^th第二通过伊克巴尔和Rauh(图左)和这项工作(图右)。图4 (b)说明了时均颗粒的垂直速度z从0 = 0.15^th第二,25^th第二个工作的链接等。21),这项工作。

两部作品在图的结果4(一)表明,粒子在越来越少的上部比下部spout-fluidized床,和很少有粒子的中心spout-fluidized床下部由于喷流的影响。图4 (b)说明上的垂直速度粒子计算这项工作是一致的与链接et al。尽管有个微小的区别,由于解决方案和部分未申报参数设置(如空气密度和空气动力粘性系数),粒子的粒度分布和时均垂直速度是一致的,和时间上纵向的相对误差约为20%有效。

4所示。案例研究

面临的nonconfined向后一步(NBFS) [22],梯田气流的特征,作为经典的测试模型来模拟从土壤中放射性粒子表面的迁移为核应急制造商提供更多的实际信息。

4.1。NBFS的几何模型

图5(一个)显示NBFS的几何形状,包括上面的步骤(50 m×17 m)和较低的步骤(45米×17米);NBFS有一个入口(1.8米×17米),一个出口(4.3米×17米),和一个步骤(2.5米×17米)。有三个主要地区的流在NBFS醒来:分离泡沫,回贴,涡旋脱落,如图5 (b)。

NBFS表层,80 Bq·g⁻¹的^137年Cs粒子测量,它对应于与100年0.000105 Bq /单粒子μ米,地面发出NBFS。一个连续的排放^137年60年代的Cs粒子NBFS等影响因素的位置发射,靠近壁面气流,墙的状态。

4.2。计算方法

在这项工作中,结构化网格NBFS模型是由ANSYS ICEM CFD 14.0。放射性粒子发射和迁移模拟计算到OpenFOAM 4.1。NBFS中的气流场和放射性粒子的运动模拟DPMFoam 0.0001秒的时间步长来模拟瞬态迁移基于标准的放射性粒子k- - - - - -ε模型。

4.3。边界和初始条件

在这部作品中,环境温度的等温状态(大约20°C)假定为1.205公斤·m⁻³大气密度、气流粘性是1.8×10⁻⁵公斤米⁻¹·年代⁻¹,最初的入口速度是2 m·s⁻¹。在土壤表面无滑动条件。与100年土壤粒子的密度μm被选中,它的直径是2.5×10³公斤·米⁻³。

摩擦速度可以通过方程计算(3),这是大约0.23 ms⁻¹,发射数量(∼57)每秒的放射性粒子的表面NBFS估计。此外,假设5厘米深度受污染的土壤,其中包含许多放射性粒子充分确保放射性粒子发射。

4.4。结果与讨论

4.1.1。网格独立性分析

网格的大小环境污染和粒子运动在地表附近可以确定大约10⁴和非均匀结构化网格墙附近的1.2倍扩张用于网格保证所需的网格分辨率(12,23]。保证仿真是独立于电网,三组统一的结构化网格计算:2.5×10⁴,3.5×10⁴和4.5×10⁴。图6说明了气流速度和^137年Cs粒子速度在30岁^th其次,分别。图6(一)显示了气流速度z= 0.5 m的y= 8.5飞机,和图6 (b)显示了域的粒子速度y= 8.5飞机y飞机= 9米,2.5×10的模拟⁴网格,3.5×10⁴网格,和4.5×10⁴网格所示红色、蓝色和黄色,分别。相比之下,3.5×10⁴网格和4.5×10⁴网格,有一定偏差计算的气流场2.5×10⁴电网的影响造成的粗网格如图6(一),这将导致一个明显的差异的速度^137年Cs粒子如图6 (b)。此外,3.5×10⁴网格和4.5×10⁴网格是一致的。考虑到精度和效率,3.5×10⁴网格是选择以下模拟。

10/24/11。放射性粒子模拟

在这部作品中,迁移机制^137年Cs NBFS粒子是调查使用耦合模型。我们分析了两个方面:分布和迁移的特点^137年Cs粒子。

图7显示了气流场的中心平面从40 m - 90 m NBFS的稳定状态。仿真表明,NBFS背后的气流速度逐渐降低,因为几何截面宽度的扩张。此外,大规模的湍流涡的分离泡沫(从50米到58米)附近NBFS泡沫分离步骤和气流速度非常小,这将导致一些^137年Cs粒子被动荡的漩涡。分析粒子的迁移特征,较低的一步是均匀分成10段从50米到90米调查湍流漩涡的影响和气流场的粒子分布和迁移。

图8给出了分布的演化^137年Cs粒子在不同段在不同时间下步,和红点表示生成的粒子数从50米到54米。越来越多^137年Cs粒子表面发出;然后,生成的粒子数的增加从50米到54 m是速度比在其它领域,因为大多数粒子在上一步生成湍流涡被困。最后,一步墙附近的粒子逐渐积累泡沫分离地区因为气流场和墙的效果。相比之下,粒子在其他领域也越来越少。

图9说明了放射性物质的变化^137年Cs粒子从0^th第二,60^th第二。图9(一个)显示的变化^137年Cs粒子迁移通量在大气中由于粒子发射,和图9 (b)展示了迁移通量之间的比例和总排放通量^137年Cs粒子。可以看出,迁移通量(4.37×10⁻⁶Bq·米⁻²)^137年Cs在60^th二是太小的工作条件。这些结果的原因有三:(1)每秒发射数量的放射性粒子假定NBFS较少的表面;(2)大部分的放射性粒子被困的湍流涡分离泡沫,这将导致粒子很难逃离泡沫分离地区,导致泡沫分离放射性粒子快速增长对应图的结果8;(3)还有模拟时间短。然而,迁移通量^137年随时间线性Cs粒子在大气中由于放射性粒子数量的增加,在对比图9 (b)表明迁移通量和总排放通量之间的比率^137年Cs粒子先迅速增加,倾向于某个值(约0.02)倍继续在这工作条件,因为放射性粒子被墙附近的湍流涡一步。

沿着积极的粒子的瞬时速度X方向在60^th第二低的一步是选择分析的机理^137年Cs粒子迁移,因为类似的粒子增长曲线在不同的时间。粒子沿着积极的瞬时速度X方向在60^th第二低的步骤如图10。图10 ()显示的平均瞬时速度^137年Cs粒子在不同的领域;图10 (b)显示了个人的瞬时速度^137年Cs粒子从50米到52米。

相比^137年从50 m - 54 m Cs粒子,粒子从54米到58米平均瞬时速度快得多,而粒子沿着负迁移X方向由于湍流涡的效果。从58米,78米,沿着积极的粒子有较大的平均瞬时速度X方向的一步,粒子平均瞬时速度较低时气流减弱从78米到90米(如图10 ())。虚线(直线)(如图10 (b))由许多离散点表明个人的瞬时速度^137年Cs粒子对应于不同的位置从50米到52米附近NBFS一步分离泡沫。由于大规模动荡的漩涡和气流速度小,大部分的^137年Cs粒子分离泡沫地区波动量约为零,和粒子运动主要是一个布朗运动由于墙上,湍流涡的影响。因此,粒子很难逃离泡沫分离地区,逐步积累在墙附近。

5。结论

在这个工作中,考虑到连续排放和迁移的放射性粒子,放射性粒子的分布特征和迁移通量可以详细估计该模型。的重要因素之一的放射性粒子的分布和迁移是附近的湍流涡引起积累一步分离泡沫区域。此外,还有的巨大差异造成的不同等因素参数,步骤与不同高度和风速。然而,方法研究放射性粒子迁移核事故后这项工作的焦点,而不是耦合的机理模型。放射性土壤颗粒的分布和迁移在不同边界条件和参数将在接下来的调查工作。

考虑到经济和及时性,复杂的土壤表面去污区域应该准确地分化为各种气象条件下,它可以帮助决策者核放射性去污的评估成本和效益提供更多放射性处理核事故后的实际信息。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

自然科学基金支持的这项工作是中国安徽高等教育机构(批准号KJ2020A0110),安徽省自然科学基金(批准号2008085 ma23)和中国科学院信息化项目(批准号xxh13506 - 104)。

引用

1. 落,h .长谷川h . Kakiuchi et al .,”事故后大气的时空变化^137年Cs在福岛县的疏散区域:尺度依赖的行为^137年Cs-bearing粒子。”《环境放射性卷,165年,第139 - 131页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. t .激酶,k北城,y Igarashi et al .,“大气的季节性变化^134137年Cs活动和可能受污染地区的主人为他们的再悬浮颗粒对马岛Yamakiya,福岛,日本。”地球和行星科学的进展,5卷,p。12日,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 国际原子能机构,”造型的再悬浮,季节性和损失在食品加工中,“技术代表、国际原子能机构,维也纳,奥地利,1992年,国际原子能机构- tecdoc - 647。视图:谷歌学术搜索
4. t . Yasutaka和w . Naito评估成本和放射性去污效果在福岛县,日本,”《环境放射性,151卷,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. c . l . Chen, x郑,h·林殷y,和p .长,“模拟放射性核素扩散在干燥储存乏燃料在事故条件下,“发展核能源卷,108年,第159 - 152页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. c·亨利和j。如矿坑的,”进展再悬浮粒子从粗糙表面湍流流动,”能量和燃烧科学的进步,45卷,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. y波多野和n .波多野”的再悬浮因子和估算公式表面污染的日期,“大气环境,37卷,不。25日,第3480 - 3475页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. g . a . Loosmore领导“评估和发展模型的再悬浮的气溶胶在短时间沉积后,“大气环境,37卷,不。5,639 - 647年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. m .不能m·劳斯t . y .田中et al .,“使用size-resolved一维再悬浮方案评估resuspended放射性物质从地面与矿物尘粒表面,”《环境放射性卷,166年,第448 - 436页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. j .赵和t .山”,在地质力学耦合CFD-DEM模拟流体质点的相互作用,”粉技术卷,239年,第258 - 248页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k m .公园h s Yoon和m . Il金正日“CFD-DEM基于数值模拟溃坝liquid-gas-particle混合流的”非线性科学与数值模拟通信59卷,第121 - 105页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. n .伊克巴尔和c . Rauh”耦合的离散单元模型(DEM)和计算流体力学(CFD):验证研究,“应用数学与计算卷,277年,第163 - 154页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. g . a . Loosmore领导和j·r·亨特,“再悬浮灰尘没有跳跃,”地球物理研究杂志》,105卷,2000年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. b . Nasr s Dhaniyala g·艾哈迈迪,“章两次的粒子表面的再悬浮:概述理论模型和实验数据,”表面污染和清洁的发展:类型的污染和污染资源r·克里和k·l·米塔尔,Eds。,William Andrew Publishing, Norwich, NY, USA, 2017.视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 惠普朱,z . y .周,r . y .杨和a . b . Yu”离散粒子模拟颗粒系统:理论的发展,“化学工程科学,卷62,不。13日,3378 - 3396年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. w . Klinzing和e .麻雀“外部流动的湍流模型,评价”数值传热,55卷,不。3、205 - 228年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. c . y .温家宝和y . h . Yu力学怜,“化学工程进展研讨会系列卷,162年,第111 - 100页,1966年。视图:谷歌学术搜索
18. 水系,“流体流经填料塔,”化学工程进展研讨会系列,卷2,48页,1952。视图:谷歌学术搜索
19. k·w·尼科尔森,”第二章色散、沉积和再悬浮在户外大气污染城市环境,”环境中的放射性15卷,21-53,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. n g·迪恩·m·范它们Annaland, m·a·范德Hoef和j . a . m . Kuipers,“审查”流化床的离散粒子模型,化学工程科学,卷62,不。1 - 2,28-44,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j . m .链接,n·g·迪恩,j . a . m . Kuipers et al .,“PEPT和离散粒子模拟研究spout-fluid床政权,”Aiche杂志,54卷,不。5,1189 - 1202年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. n . Lancial f . Beaubert s Harmand g·罗兰,“湍流墙飞机对传热的影响在non-confined面向后方的一步,”国际期刊的热和流体流动,44卷,第347 - 336页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. m . Ghasemian s Amini, m . Princevac“路边固体和植被的影响壁垒near-road空气质量,”大气环境,170卷,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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