CN110472279B - 一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，属于核退役仿真领域。包括构建核退役场景实体模型，并将核设施实体模型转换为体素模型；采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散；根据退役场景对涡动扩散模型进行修正，退役场景包括厂房尺寸、核设施体素模型体积、排风管位置与流量和多个泄露点位置等；最终计算放射性气体的浓度分布。本发明采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散；根据真实退役场景对模型进行了修正，实现了放射性气体浓度分布的动态计算；开发出了一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体浓度评估仿真方法，对核设施退役仿真具有重大的实际意义，应用前景广阔。

Description

一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法
技术领域
本发明涉及一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，属于核退役仿真领域。
背景技术
核设施退役活动会产生大量的放射性气体。为了保证工人在退役活动中的安全，减少放射性气体对工人的内照射，就需要评估放射性气体的分布情况。
对于气体扩散，高斯扩散模型是应用最广泛的模型。该模型主要应用于点源的扩散研究，能够评估连续源的扩散和瞬时泄漏的扩散，但高斯扩散模型更适用于大气扩散。对于室内空间，涡动扩散模型更加适用。涡动扩散模型基于菲克扩散定律，在稳定的无限空间内的点源，泄露出的污染物浓度跟与源的距离和分子扩散率成正比。由于核退役场景空间大，设备所占空间多，空气流通缓慢且放射性气体泄露点多，因此需要对理想涡动扩散模型进行修正。综上所述，开发出一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体浓度评估仿真方法对核设施退役仿真具有重大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是为了实时、高效的评估核设施退役环境中放射性气体扩散分布情况而提供一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法。
本发明的目的是这样实现的：一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，具体包括以下步骤：
步骤1、构建核退役场景实体模型，并将核设施实体模型转换为体素模型；
步骤2、构建气体涡动扩散模型；
步骤3、根据厂房尺寸修正扩散模型；
步骤4、根据核设施体素模型体积修正扩散模型；
步骤5、根据排风管位置与流量修正扩散模型；
步骤6、根据多个泄露点位置修正扩散模型。
本发明还包括这样一些结构特征：
1、所述步骤1具体为：根据核退役场景的确定参数，构建退役环境的实体模型，模型参数包括厂房、设备、墙体，采用体素化方法将设施实体模型转化为体素模型。
2、所述步骤2具体为：假设室内气体的传输机制是湍流扩散、构建气体涡动扩散模型；考虑退役场景对模型的影响，距离泄露点半径为ri的处的浓度为：
Figure BDA0002124490180000011
式中，Ci,t(x,y,z)是时间t时第i个泄露源在坐标(x,y,z)处的浓度，Vi,t是模型的真实体积，Vi,R是模型球形边界的体积，Gi是第i个泄露源的释放率，ri是从源到位置(x,y,z)的距离，D为涡动扩散的系数，erf为误差公式，理想情况下，涡动扩散模型呈圆球形，体积为：
Figure BDA0002124490180000021
式中，Rt是模型最外层球体的半径，具体为：
Figure BDA0002124490180000022
3、所述步骤3具体为：根据厂房尺寸修正扩散模型，模型修正后的体积为模型圆球形边界的体积减去模型在厂房边界外的体积：
Vi,t＝Vi,R-Vout
其中，Vout为模型在厂房边界外的体积。
4、所述步骤4具体为：考虑核设施对气体扩散的阻塞作用，扩散模型的真实体积为模型圆球形边界的体积减去核设施体素模型在球形边界内体积。模型修正后的体积为：
Vi,t＝Vi,R-Vin
其中，Vin为核设施与扩散模型相交部分的体积。
5、所述步骤5具体为：当扩散模型与排风管道相接时，扩散模型形状不变，考虑排风管道对扩散模型的影响，根据排风管道的位置与气体流量对扩散模型进行修正，修正后的扩散模型为：
Figure BDA0002124490180000023
式中Qk是第k个排气管的通风率，tk是扩散模型和第k个排气管的接触时间。
6、所述步骤6具体为：当核退役场景中有多个放射性气体泄露点时，空间位置(x,y,z)处放射性气体的浓度为所有泄露点在该位置浓度的累加和：
Figure BDA0002124490180000024
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明开发出一种基于涡动扩散模型，动态计算放射性气体空间分布的仿真方法。本发明实现了采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散；根据真实退役场景对模型进行了修正，实现了放射性气体浓度分布的动态计算。本发明开发出了一种实时、高效的核设施退役环境中放射性气体浓度评估仿真方法，对核设施退役仿真具有重大的实际意义。
附图说明
图1是理想状态下的涡动扩散模型；
图2是厂房空间对涡动扩散模型的限制；
图3是场景设施对涡动扩散模型的影响；
图4是排风管道对涡动扩散模型的影响；
图5是多泄露点情况下(x,y,z)位置处放射性气体的浓度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提出一种针对核退役环境中泄露的放射性气体，采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散，并动态的计算放射性气体浓度分布的仿真方法。
本发明采用C++语言编程，主要功能为：构建退役场景核设施的体素模型，采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散，根据退役场景对涡动扩散模型进行修正，最终计算放射性气体的活度分布。整个发明包括退役环境建模、涡动扩散模型建模、放射性气体浓度分布计算三个模块。
本发明采用以下技术方案：
1、构建核退役场景实体模型，并将核设施实体模型转换为体素模型；
根据核退役场景的确定参数，构建退役环境的实体模型。模型包括厂房、设备、墙体等。采用体素化方法将设施实体模型转化为体素模型。
2、构建气体涡动扩散模型；
气体涡动扩散模型的优点是可以计算出空间内不同距离处的气体质量浓度，缺点是必须在室内空气流速较小的情况下使用。
涡动扩散模型假设室内气体的传输机制是湍流扩散，考虑到退役场景对模型的影响，如附图1所示，为理想状态下的涡动扩散模型；距离泄露点半径为ri的处的球体浓度为：
Figure BDA0002124490180000031
式中，Ci,t(x,y,z)是时间t时第i个泄露源在坐标(x,y,z)处的浓度，Vi,t是模型的真实体积，Vi,R是模型球形边界的体积，Gi是第i个泄露源的释放率，ri是从源到位置(x,y,z)的距离，D为涡动扩散的系数，erf为误差公式。理想情况下，涡动扩散模型呈圆球形，体积为：
Figure BDA0002124490180000032
式中，Rt是模型最外层球体的半径，具体为：
Figure BDA0002124490180000033
3、根据厂房尺寸修正扩散模型；
放射性气体的扩散形状会受到厂房空间的限制，模型修正后的体积为模型圆球形边界的体积减去模型在厂房边界外的体积，如附图2所示，为厂房空间对涡动扩散模型的限制，模型修正后的体积为：
Vi,t＝Vi,R-Vout
其中，Vout为模型在厂房边界外的体积。
4、根据核设施体素模型体积修正扩散模型；
核退役场景中的设施体积巨大，会影响放射性气体的扩散，考虑到核设施对气体扩散的阻塞作用，扩散模型的真实体积为模型圆球形边界的体积减去核设施体素模型在球形边界内体积，如附图3所示，为场景设施对涡动扩散模型的影响，模型修正后的体积为：
Vi,t＝Vi,R-Vin
其中，Vin为核设施与扩散模型相交部分的体积。
5、根据排风管位置与流量修正扩散模型；
放射性气体会通过排风管道，经过滤、吸收等操作后排放到外界环境。当扩散模型与排风管道相接时，扩散模型形状不变。如附图4所示，为排风管道对涡动扩散模型的影响，考虑到排风管道对扩散模型的影响，需要根据排风管道的位置与气体流量对扩散模型进行修正，修正后的扩散模型为：
Figure BDA0002124490180000041
式中Qk是第k个排气管的通风率，tk是扩散模型和第k个排气管的接触时间。
6、根据多个泄露点位置修正扩散模型。
核退役场景中，放射性气体泄露点多，且每个泄露点的泄露量也不相同。如图5所示，为多泄露点情况下(x,y,z)位置处放射性气体的浓度；当核退役场景中有多个放射性气体泄露点时，空间位置(x,y,z)处放射性气体的浓度，为所有泄露点在该位置浓度的累加和：
Figure BDA0002124490180000042
综上，本发明公开一种核设施退役环境中放射性气体浓度评估方法，具体涉及一种针对核退役环境中泄露的放射性气体，采用涡动扩散模型拟放射性气体的扩散，并动态的计算放射性气体浓度分布的仿真方法。本发明包括：构建退役场景核设施的体素模型，采用涡动扩散模型模拟放射性气体的扩散，根据退役场景对涡动扩散模型进行修正，最终计算放射性气体的浓度分布。本发明包括退役环境建模、涡动扩散模型建模、放射性气体浓度分布计算三个模块，实现了核设施退役环境中放射性气体浓度的动态评估。

Claims (7)

1.一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、构建核退役场景实体模型，并将核设施实体模型转换为体素模型；
步骤2、构建气体涡动扩散模型；
步骤3、根据厂房尺寸修正扩散模型；
步骤4、根据核设施体素模型体积修正扩散模型；
步骤5、根据排风管位置与流量修正扩散模型；
步骤6、根据多个泄露点位置修正扩散模型。
2.根据权利要求1所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据核退役场景的确定参数，构建退役环境的实体模型，模型参数包括厂房、设备、墙体，采用体素化方法将设施实体模型转化为体素模型。
3.根据权利要求1或2所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤2具体为：假设室内气体的传输机制是湍流扩散，构建气体涡动扩散模型；考虑退役场景对模型的影响，距离泄露点半径为ri的处的浓度为：
Figure FDA0002124490170000011
式中，Ci,t(x,y,z)是时间t时第i个泄露源在坐标(x,y,z)处的浓度，Vi,t是模型的真实体积，Vi,R是模型球形边界的体积，Gi是第i个泄露源的释放率，ri是从源到位置(x,y,z)的距离，D为涡动扩散的系数，erf为误差公式，理想情况下，涡动扩散模型呈圆球形，体积为：
Figure FDA0002124490170000012
式中，Rt是模型最外层球体的半径，具体为：
Figure FDA0002124490170000013
4.根据权利要求3所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据厂房尺寸修正扩散模型，模型修正后的体积为模型圆球形边界的体积减去模型在厂房边界外的体积：
Vi,t＝Vi,R-Vout
式中，Vout为模型在厂房边界外的体积。
5.根据权利要求4所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤4具体为：考虑核设施对气体扩散的阻塞作用，扩散模型的真实体积为模型圆球形边界的体积减去核设施体素模型在球形边界内体积，模型修正后的体积为：
Vi,t＝Vi,R-Vin
式中，Vin为核设施与扩散模型相交部分的体积。
6.根据权利要求5所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤5具体为：当扩散模型与排风管道相接时，扩散模型形状不变，考虑排风管道对扩散模型的影响，根据排风管道的位置与气体流量对扩散模型进行修正，修正后的扩散模型为：
Figure FDA0002124490170000021
式中Qk是第k个排气管的通风率，tk是扩散模型和第k个排气管的接触时间。
7.根据权利要求6所述一种基于涡动扩散模型的放射性气体浓度评估方法，其特征在于，所述步骤6具体为：当核退役场景中有多个放射性气体泄露点时，空间位置(x,y,z)处放射性气体的浓度为所有泄露点在该位置浓度的累加和：
Figure FDA0002124490170000022
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