基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法技术

本发明专利技术提供了基于气固两相模拟方法的放射性沾染数值模拟方法，解决现有核爆炸放射性烟云颗粒大气输运与沉降模拟方法中气固分离效应、湍流扩散效应描述不合理的问题。该方法包括以下步骤：1)根据爆炸当量和平均风速设置沾染分布计算区域，设置模拟粒子总数和记录网格分辨率；2)采用稳定烟云模型建立核爆炸放射性颗粒的初始空间分布；3)计算湍流参数；4)用气固两相流方法模拟稳定烟云中某放射性颗粒的大气输运与沉降过程，直至其落地或逸出计算边界为止，气固两相流方法中采用时间推进的原理；5)根据所有计算出的放射性颗粒沉降位置，统计给出地表沾染的分布结果。

【技术实现步骤摘要】
基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法
本专利技术涉及核爆炸放射性沾染预测模拟技术，具体涉及基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法。
技术介绍
核爆炸效应主要有冲击波、光辐射、早期核辐射、核电磁脉冲和放射性沾染效应。放射性沾染是核爆炸重要的杀伤因素之一，具有持续时间长，作用范围广的特点。地面核爆炸时，大量熔化、汽化的土壤物质被卷入烟云，使得烟云中有大量直径较大的颗粒，这些较大放射性颗粒的沉降主要发生在距爆点较近的局部区域，会在爆点下风方向百公里范围内形成严重的放射性沾染，沾染的辐射影响可以持续到爆后几周甚至几个月，对处于其中的人员造成辐射杀伤。在上世纪六七十年代大气层核试验期间，对核爆炸放射性沾染沉降进行了大量试验观测，并形成了一系列放射性沾染预报计算模型。例如，美国国防部核子局(DefenseNuclearAgency，DNA)开发的DELFIC(DefenseLandFalloutInterpretativeCode)程序(NormentHG发表在1979年报告《AtmosphericScienceAssociates》本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)计算条件初始化处理/n设置初始化条件，所述初始化条件包括计算条件参数、气象参数和爆炸条件参数；所述计算条件参数包括模拟粒子总数N、放射性颗粒计算区间和记录网格空间分辨率；所述气象参数包括不同高度上的风速、边界层厚度H

【技术特征摘要】
1.一种基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)计算条件初始化处理
设置初始化条件，所述初始化条件包括计算条件参数、气象参数和爆炸条件参数；所述计算条件参数包括模拟粒子总数N、放射性颗粒计算区间和记录网格空间分辨率；所述气象参数包括不同高度上的风速、边界层厚度Hb和下垫面粗糙度r0；所述爆炸条件参数包括爆炸当量W、裂变份额η、爆心离地高度h；
2)稳定烟云计算
2.1)将烟云抬升终止时刻形成的稳定烟云简化成上部烟云柱和下部尘柱的圆柱体组合，根据步骤1)中设置的爆炸条件参数计算稳定烟云特征参数；所述特征参数包括烟云柱顶高、烟云柱底高、烟云柱直径、尘柱直径和烟云稳定时间，具体计算如下：
烟云柱顶高：HTM＝4.5W0.22+h；
烟云柱底高：HBM＝4.5W0.22-2W0.2+h；
稳定
烟云柱直径：
尘柱直径：DS＝0.4DCM；
2.2)设稳定烟云内颗粒为粒径分布满足对数正态分布f(d)的球形颗粒且在稳定烟云内均匀分布，则稳定烟云颗粒粒径分布函数f(d)为：



其中，d50和s分别为中值直径和分布的标准差；
3)湍流参数计算
读入气象参数，并用大气科学和行星边界层理论计算边界层湍流扩散参数σ与拉格朗日时间尺度TL；
4)模拟放射性颗粒输运与沉降过程
用气固两相流方法模拟稳定烟云中某放射性颗粒的大气输运与沉降过程，直至其落地或逸出计算边界为止，气固两相流方法中采用时间推进的原理，时间步长为Δt；具体如下：
4.1)根据稳定烟云的空间范围抽样颗粒初始位置X(t0)，并根据颗粒粒径分布函数f(d)抽样颗粒直径dp；
4.2)用基于双拉格朗日模型的气固两相流方法计算抽样颗粒每一时间步结束时的颗粒位置、运动速度和受力情况，直到该颗粒落地或脱离侧边界；
5)预测地表沾染的分布：
选择下一个放射性颗粒，重复步骤4)，直到计算颗粒数达到模拟粒子总数N为止；根据所有计算出的放射性颗粒沉降位置，统计给出地表沾染的分布结果。


2.根据权利要求1所述基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于：
步骤3)具体为：读入气象参数，用大气科学和行星边界层理论计算边界层湍流扩散参数σ与拉格朗日时间尺度TL，设大气稳定度为中性，则σ与TL在顺风方向的分量为σ1和TL1、水平侧风方向的分量为σ2和TL2、垂直方向的分量σ3和TL3，计算公式如下：
σ1＝2.3×u*
σ2＝2.0×u*






式中，z为颗粒物离地高度；
u*为摩擦速度；
式中，κ为卡曼常数；u0为地面风速，z0为对应测风高度。


3.根据权利要求2所述基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于，步骤4.1)具体为：根据稳定烟云的空间范围抽样颗粒初始位置X(t0)，并根据稳定烟云颗粒粒径分布函数f(d)抽样颗粒直径dp；该颗粒大气输运的起始时间t0为烟云稳定时间TM，即t0＝TM。


4.根据权利要求3所述基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于，步骤4.2)具体为：
4.2.1)根据颗粒和其所处微气团在每一步初始时刻t的运动状态，计算颗粒的受力F(t)，F(t)为重力G和黏性阻力FD(t)的合力；
G＝mpg



其中，Vp(t)为颗粒运动速度；Vg(t)为微气团运动速度；g为重力加速度；ρg为空气密度；阻力系数Rep为颗粒雷诺数，f为修正因子；
4.2.2)根据颗粒在每一步初始时刻t所处位置Xp(t)和运动速度Vp(t)计算颗粒在时间间隔Δt后的位置Xp(t+Δt)：
Xp(t+Δt)＝Xp(t)+Vp(t)Δt
根据颗粒在每一步初始时刻的受力情况F(t)，计算颗粒在时间间隔Δt后的运动速度Vp(t+Δt)：
Vp(t+Δt)＝Vp(t)+ΔVp(t)
其中，颗粒的速度变化量ΔVp(t)计算如下：



式中，为颗粒的质量，ρp为烟云颗粒的密度；
4.2.3)计算t时刻包裹在颗粒周围的微气团在时间间隔Δt后的位置Xg(t+Δt)：
Xg(t+Δt)＝Xg(t)+Vg(t)Δt+V′g(t)Δt
由于在t时刻气团包裹着颗粒，则Xg(t)＝Xp(t)；
式中，V′g(t)为湍流脉动速度，其在x，y，z三个坐标方向的分量记为u′,v′,w′；
同一微气团在不同时刻的湍流脉动速度遵从马尔科夫假定，即



式中，ξ为正态分布随机数；Ru，Rv，Rw分别为x，y，z三个坐标方向的拉格朗日自相关函数，计算公式如下：



其中，σu、σv、σw为、y、z三个方向的湍流扩散参数；TLu、TLv、TLw为x、y、z三个方向的拉格朗日时间尺度，σu、σv、σw和TLu、TLv、TLw可通过坐标变换从σ1，σ2，σ3和TL1，TL2，TL3计算得到；
利用相同时刻不同位置上湍流速度的欧拉相关关系计算t+Δt时刻颗粒周围的微气团的湍流速度：



其中；RE,u、RE,v和RE,w分别为x,y,x坐标方向的欧拉相关系数



式中：






式中：i代表u，v，w任一分量；
4.2.4)以t+Δt时刻颗粒的位置Xp(t+Δt)、运动速度Vp(t+Δt)、颗粒周围的微气团的湍流速度作为下一步初始时刻的运动状态，重复步骤3.3.1)～3.3.3)，直到该颗粒落地或脱离侧边界，计算出该颗粒在整个大气输运与沉降过程的运动轨迹。


5.根据权利要求4所述基于气固两相流模拟的核爆炸放射性沾染预测方法，其特征在于，步骤2.2)中，d50＝0.407μm，s＝4.0；
步骤4.2.1)中，当Rep<1时，f＝1；当Rep≥1时，f可表示为

【专利技术属性】
技术研发人员：卓俊，黄流兴，牛胜利，朱金辉，商鹏，李夏至，
申请(专利权)人：西北核技术研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61