近地表分层湍流特性对放射性气溶胶干沉降影响研究

The radionuclide released from nuclear accidents is mainly in form of sub-micron radioactive aerosol particles. Its dry deposition flux seriously affects the accuracy of accident consequence assessment and source term estimation. At present, the research on dry deposition is based on the experience and semi empirical model of the factors such as the atmosphere, the friction velocity, the shape of the surface and so on. However, the influence of atmospheric turbulence intensity and eddy scale is still lack of awareness, which seriously affects the accuracy and universality of the model. In this project, considering the small turbulence integral scale layer caused by the rough surface on the surface layer, the Brown diffusion of radioactive aerosol particles in turbulent transport and collision interception by surface roughness object is discussed. Besides, considering the effect of the charge effect of the decay of alpha and beta particles, experimental verification is carried out by the active control wind tunnel combined with the laser particle image method. Aiming to master the dry deposition mechanism of radioactive aerosol under stratified turbulence, and establish a dry deposition model for sub-micron radioactive aerosol, which could improves the emergency response capability of nuclear accidents.

核事故早期释放出来放射性核素中以亚微米级气溶胶粒子所占活度最大，其干沉降系数影响了事故后果评价和源项反演的准确性。目前针对干沉降的研究主要针对大气层结、摩擦速度、地表形状等因素建立经验和半经验模型，而对其受到大气湍流强度和涡流尺度的影响规律还缺乏认识，这对模型的准确性和普适性影响较大。本项目考虑近地面层上由于粗糙面表面造成的小湍流积分尺度层，对放射性气溶胶粒子在湍流输运下的扩散和受到地表粗糙物体的碰撞截留规律进行研究，掌握α、β粒子衰变导致的荷电性对干沉降表面阻尼系数的影响规律，通过主动控制风洞结合激光粒子图像方法进行实验验证，揭示放射性气溶胶在分层湍流作用下的干沉降机理，建立亚微米级放射性气溶胶的干沉降的表面阻尼模型，提高核事故应急评价的准确性。

本项目通过理论研究、数值计算和实验相结合的方法，研究放射性气溶胶在近地表由于小尺度湍流作用下的输运和沉降行为，揭示大气环境中放射性气溶胶在荷电性和湍流特性共同作用下干沉降机理，建立干沉降速率中表面阻尼模型，得到基于湍流特性和表面截留系数的干沉降系数，为核电厂放射性核素的扩散及反演模型提供支撑。根据复杂下垫面环境下核素大气扩散的影响因素理论，建立了典型海岛下垫面的模拟模型，研究大气空间范围、风速轮廓线等因素对核素输运的影响。研究结果表明海岛下垫面对于扩散的影响主要表现在两个方面，首先下垫面对于附近区域的流动扰动使得扩散增强，使污染物扩散速率加快；此外下垫面也会使烟羽扩散得范围更大，改变污染物在地面的最大扩散因子及其出现位置。通过风洞和CFD数值模拟开展了典型厂区下核素大气扩散动力特性研究。研究结果表明在WSW风向下，由于下风向2km内均无高大建筑，因此扩散较为符合高斯烟羽特征。ENE风向下，下风向2km内既有明显地形坡度，又有较多与烟囱高度相似的建构筑物，这导致烟羽中心线抬升相比其他两个工况剧烈。又因为建筑物的阻挡，烟羽浓度在地面附近相对较小。