放射性气体扩散浓度的预测模型.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流放射性气体扩散浓度的预测模型.精品文档.放 射 性 气 体 扩 散 浓 度 的 预 测 模 型参赛队员:程伟山 15138745435 张 聪 13461028984 赵雅静 15138763238放射性气体扩散浓度的预测模型摘 要关于放射性气体扩散浓度的预测,本文根据日本福岛核电站遭遇自然灾害发生核泄漏的背景进行研究,首先用线性回归模型进行简单预测,其次建立了高斯模型解决以下问题,并根据实际情况对模型进行修正与优化。针对问题一,考虑放射性气体的泄漏是连续不断的。首先利用spss软件根据福岛核电站周围的放射性气体扩散的实际情况建立一个线性回归
2、模型,可以简单预测出福岛核电站西南方的最大影响范围。接着根据“泄漏放射性物质质量守恒定律”和“气体泄漏连续性原理”建立了微积分方程,应用了数学分析中散度、梯度、流量等数学概念,通过Guass公式、四维二阶偏微分方程,因而得到了核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型。同时为使模型适用范围更广,本文引入了地面反射系数,考虑由于放射性气体从泄漏口喷出时具有初动量而使其泄漏源有效高度被抬高等因素,所以我们引用了在无风环境中适用范围更广的“高斯修正模型”。针对问题二,主要探究风速对放射性气体浓度分布的影响。本文运用概率论知识,通过图解和数学推导得出“连续点源放射性物质高斯扩散模型”。依
3、次考虑了“重力沉积”、“雨水沉积”、“核衰变”等因素对浓度分布的影响。并通过构建“耗减因子”、“衰变因子”等方法将耗减和衰变的放射性物质“投影”到泄漏源浓度中,得到了经多次合理修正后的“优化高斯模型”,并详细分析了泄漏源周边地区放射性气体的浓度变化情况。针对问题三,本文主要根据问题二的解答模型,结合考虑风速和放射性物质扩散速度在空间中的矢量运算。得出在对上风口、下风口分析时,必须分类讨论风速和自然扩散速度之间的大小关系,当风速大于放射性气体扩散速度时,放射性气体是无法到达上风口的。针对问题四,本文查阅整理了大量气象、地理、新闻等数据资料,以福岛核电站西南方向我国上海作为研究对象,综合考虑对应海
4、域平均风速及风向、地理距离、海水对放射性气体扩散的反射系数等因素,并通过MATLAB编程进行模拟计算,预测出福岛核电站放射性核物质大约经过一周到达我国东海岸,且预测得到131I浓度预测值约为:0.100,即大约与实际情况比较吻合,对人影响已很小。同时对美国西海岸也就行了预估,由于影响因素较多,预估结果相对较差。关键词:放射性气体的扩散 高斯修正模型 浓度预测一、问题重述突发性核泄漏等紧急灾害事件具有爆发性、空间分布不连续性、对周边地形和气象条件的敏感性的特点,所以研究核事故所释放的气体物质的时空扩散需要高度精确的技术,这对于更好地保护环境有着极其重要的意义。现假设有一座核电站遇到自然灾害而发生
5、泄漏,浓度为的放射性气体以匀速排出,速度为,在无风的情况下,匀速在大气中向四周扩散,速度为。建立模型解决以下问题:问题一,建立一个描述核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型,这对于研究核污染模式具有重要的意义。 问题二,当风速为时,给出核电站周边放射性物质浓度的变化情况,这对于研究核电站附近放射性气体对实际环境的影响有着重要的作用。 问题三,当风速为时,计算出上风和下风公里处的放射性物质浓度的预估。 问题四,将建立的模型应用于福岛核电站的泄漏,计算出福岛核电站的泄漏对我国东海岸以及美国西海岸的影响,根据这一实际预测,可以明确某一地区实际的污染情况,为我们的核应急决策提供理论数
6、据。二、问题分析针对问题一,根据假设在无风的情况下,放射性气体以的速度,匀速在大气中向四周扩散。在此条件下,建立线性回归和高斯模型来对核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度进行预测。首先我们明确此问题研究的放射性气体扩散是点源连续泄露的扩散问题。虽然题目只是要求考虑在无风情况下放射性气体浓度分布,但为了使模型更贴切实际,更具有科学性,本文还考虑了地面反射、泄漏源有效高度等因素对浓度分布的影响。根据“泄露放射性物质质量守恒定律”和“气体泄漏连续性原理”进行分析,得出核电站周边不同距离地区、不同时段放射性物质浓度的预测模型,最后对于该方程进行分析求解。对于问题二,为了探究风速对发生核泄漏的
7、核电站周边放射性物质浓度分布的影响,运用概率论知识,通过图解和数学推导得出“连续点源放射性物质高斯扩散模型”。应在“连续点源放射性物质高斯扩散模型”的基础上经多次合理修正后得到更好的“优化高斯模型”。对于问题三,该问题要求建立泄漏源上风口和下风口处放射性物质浓度的预测模型,在参考第二问的基础上,主要考虑风速和放射性物质扩散速度在空间中的矢量运算。在对上风口分析时,要分类讨论风速和自然扩散速度之间的大小关系,当风速小于自然扩散速度时,放射性物质是无法到达上风口的。对于问题四,参考了大量气象、地理、新闻等数据资料,选择我国东海岸上海,作为研究对象,综合考虑对应海域平均风速及风向、地理距离、海水对放
8、射性物质扩散的部分反射系数等因素,预测出放射性核物质与实际情况比较。三、模型假设3.1模型假设(1) 放射性气体浓度在y、z风向上分布为正态分布;(2) 整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变;(3) 地面对放射性气体的反射是不完全的;(4) 气云中不发生化学反应,地面对气云无吸收;(5) 假设气体的传播服从扩散定律,既单位时间内通过单位法向面积的流量与她的浓度梯度成正比。四、符号说明4.1符号说明:放射性气体的传播速度;:风速,单位;:泄漏点距地面的实际高度;:泄漏点距地面的有效高度;:扩散时间;:空间任意一点在时刻时的放射性物质浓度;:空间任意一点的放射性物质的扩散系数;:空间域;:空间域
9、体积;: 一规则的球面面积;: 单位时间通过单位法向面积的流量;:在内通过的流量;:内放射性物质的增量;:从泄漏源泄漏的放射性物质的总量;:附加高度;:核泄漏出口处的温度;:环境温度;:地面反射系数;:源强;:分别为用浓度标准差表示的轴上的扩散参数;:沉降速度,单位为;:地面干沉积率;:冲洗系数;:放射性核素的半衰期;五、模型的建立与求解5.1问题一模型的建立与求解5.1.1 线性回归模型的建立假设全球大气处于不对流状态,核物质会以恒定的速度向四周扩散,辐射源的核辐射量近似作为核辐射总量。在地理位置上,查的 3月25号水中量在日立-茨城-金町-东京新宿-横滨小雀一线的分布数据如下表1:表1城市
10、放射性离福岛核电站距离日立59.07100.05茨城47.88165.0金町38.04198.78东京新宿32.76215.37横滨小雀23.01270.03利用spss软件得到辐射放射性与距离之间的散点图:图1由散点图得水中I-131量在日立-茨城-金町-东京新宿-横滨小雀一线的分布具有一定的相似性(见图1)。由此可先建立线性模型进行简单的预测。表2Model SummaryModelRR SquareAdjusted R SquareStd. Error of the Estimate1.994a.988.9841.75443a. Predictors: (Constant), 距离Coe
11、fficientsaModelUnstandardized CoefficientsStandardized CoefficientstSig.BStd. ErrorBeta1(Constant)81.7712.76029.625.000距离-.219.014-.994-15.727.001a. Dependent Variable: 辐射可得线性模型为: =-0.219+81.771 (1)其中, 为距离。拟合图为:图2对方程(1)求解可知当距离为373.38时,核辐射量就降为0,而在西南方向,我国上海距离日本辐射源的距离为大约为2273公里,也就是日核泄漏物不会大量的传到我国。5.1.2高
12、斯模型的建立以核泄漏点正下方的地面为坐标原点,指向下风方向为轴,为横风向,垂直方向为轴,建立空间坐标系,则核电站泄漏点距地面的有效高度为,则泄漏点位置坐标为。图3 空间坐标系示意图记时刻,空间任意一点的放射性物质浓度为。根据假设设单位时间通过单位法向面积的流量与浓度梯度成正比,有:是扩散系数,表示梯度,负号表示由浓度高向浓度低的地方扩散。考察空间域,其体积设为,包围的曲面为,在无风的情况下,为一规则的球面,外法线向量为。则在内通过的流量可记为:在内空间域内放射性物质的增量(即存量)为:同时间内从泄漏源泄漏的放射性物质的总量为:根据质量守恒定律和连续性原理,泄漏源在单位时间内向外泄漏的放射性物质
13、等于单位时间内通过所选曲面的向外扩散的放射性物质与曲面内放射性物质增量之和,即有:即:又根据曲面积分的Gauss公式: (其中是散度记号)所以 因为由以上两式得:化简得: 另根据参考文献 解得: (2)上述模型仅是一个最理想化的预测浓度模型,因为它将一切环境视为无边界空间,且没有考虑放射性物质从泄漏口释放出时的初动量、外力、地面反射以及防身性气体自身反应等因素。为使所建立模型更加贴合实际,为实际应用服务,以下将从“有效泄漏源”和“地面反射”这两个方面对所建立模型进行修正。5.1.3考虑热力抬升作用对模型的修正如图4所示,为核泄漏点源的有效源高。它是由两部分构成:一是核泄漏口的实际高度;二是在实
14、际核扩散中核泄漏气团从泄漏口排出时,由于受到热力抬升和本身动力抬升,进而产生的一个附加高度。H为有效高度。图4 热力抬升示意图对于,主要由泄漏的初始动量和浮升力决定,同时还要受到泄漏口温度、大气温度、风速、地形地貌等多种因素的影响。我们直接引用气体污染扩散学中应用较广范的,有关烟气抬升高度的综合分析公式:其中: 泄漏源的实际高度;泄漏源出口处的风速,已知为m/s;泄漏源出口的有效直径;放射性气体的扩散速度,已知为m/s;浮力通量,。由Briggs抬升公式知,浮力通量,其中为核泄漏出口处的温度;为环境温度。由我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13223-91)中的公式标准:1
15、)在有风()且释放气体温度与环境温度差35K()时,抬升高度:其中为大气压强,2)小风()时,且温度差35K(),抬升高度为:其中为泄漏源的有效高度处上的环境温度梯度()。3)当温度差35K()时,此时的抬升高度:此时,当风速时,取= 结合以上分析,我们将以上结论应用到本题中(带入风速及放射性气体的扩散速度)得:综上所述,泄漏源的有效高度为:5.1.4考虑到地面反射对模型的修正其次考虑到地面会对扩散的放射性气体有一定的反射作用,同时扩散的核素粒子受沉降等作用,核扩散物质又不可能被全部反射回去,因而核辐射物质只能是部分反射回大气,为了便于描述和模拟,设地面反射系数为。这样进入大气的核辐射物质可以
16、看成是两个部分:一是从泄漏源直接扩散到空间点;二是从地面反射进入空间点(见图5):图5 连续点源扩散地面反射部分示意图()从几何物理学分析可知,通过地面反射进入大气的核扩散物质反射相当于虚拟泄漏源泄露的核辐射物质在原来空间的一个浓度叠加。如果所设核泄漏点源在距有效地面的高度为的地方,本文求空间任一点的浓度值,则实际泄漏源对点的影响部分可用来表示。在考虑反射系数后,虚泄漏源对点的影响部分可用来表示,于是(2)式所得模型可以修正为:5.2 问题二模型的建立与求解5.2.1高斯连续点源扩散模型的建立问题二,针对在有风速时,选取无界空间高斯连续点源扩散模型进行分析,这也是在所有有风速时,放射性物质扩散
17、模型中最常见也最方便的一种泄漏方式。放射性气体云团在大气中实际迁移和扩散的数值计算基本上可分为二步:第一步:关于所关注区域中风场的计算(理论基础是大气运动方程、连续性方程、状态方程、热力学方程和水汽方程构成的基本方程)。第二步,进行已知风场中放射性气体云团迁移和扩散的计算,可采用类似于处理大气污染的方法,假设放射性气体云团不影响大气流体速度和温度,求解出放射性气体云团的连续性方程。高斯连续点源扩散模型有边界点源,这里设泄漏源有效高度为,取其地面投影为坐标原点,轴指向风向,继续考虑地面反射作用,图6 边界点源示意图可得到高斯连续点源泄漏的浓度分布7:其中,为源强,;为污染物质量浓度,;分别为用浓
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