放射性气体扩散地预估模型.doc

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1、放射性气体扩散的预估模型摘要日本福岛核电遭遇日本近海9.0级地震并引发了大海啸的破坏，发生了核泄漏，核事故发生后放射性物质经由大气的扩散过程,可在短时间对环境产生大围的影响【1】。因此,在进行核事故的后果评估和应急决策时,大气扩散过程的模拟是非常重要的。本文中我们运用大气扩散随机游走模型、高斯烟羽优化模型以及多元线性回归分析模型，结合、软件进行计算，最终建立了理想中的模型。问题一中，我们建立了大气扩散随机游走模型，对扩散物的示踪粒子进行跟踪，形成大量的随机游走轨道。对穿过单位体积的轨道数和粒子滞留时间进行统计计算即可获得不同距离地区、不同时

2、段放射性物质的浓度。问题二中，我们基于大气污染的经典高斯烟羽模型，以期实现在风速的动态预测，但由于高斯烟羽模型的限制条件太过于理想，我们就充分考虑气体扩散过程中的风速、地面反射、地面粗糙程度等因素对传统的高斯烟羽模型进行优化，据此分析了核电站周边放射性物质浓度的变化情况。问题三中，根据工业学院油气储运安全综合实验模型平台，利用示踪技术，模拟了有害气体瞬时扩散的整个过程的实验，基于此我们又结合多元线性回归的基本方法，建立放射性气体扩散的多元线性回归模型。问题四中，我们搜索整理了大量气象、地理、新闻资料，分析了日本福岛发生核泄漏时风向、风速等重

3、要因素，并选取了我国东海岸和美国西海岸洛杉矶作为研究对象，综合考虑两者距离扩散源的距离、主要地形等因素进行分析，运用已建立的高斯烟羽优化模型得出最终结果。关键词：随机游走大气扩散模型线性回归分析模型高斯烟羽优化模型一、问题重述本文是以日本福岛核电站遭遇自然灾害发生核泄漏的背景而提出的。为了便于为事故提供积极的补救措施，对放射性核污染物大气扩散过程的模拟非常重要。设有一座核电站在遭遇自然灾害后浓度为的气体匀速泄漏，速度为,在无风的条件下，气体以的速度在大气中扩散。问题一，建立一个可以描述核电站周边不同距离，不同时段的预测模型；问题二，当风速为

4、时，给出核电站周边放射性物质浓度的变化情况；问题三，当风速为时，建立一个可以计算出上风和下风公里处的放射性物质浓度模型；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及美国西海岸的影响。二、问题分析问题一中，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。在此条件下我们建立了大气扩散的随机游走模型，将扩散物的失踪粒子进行跟踪，各个粒子每次都以一个够短的时间长作随机游走，最终形成大量的随机轨道。由穿过单位体积的轨道数和粒子滞留时间的统计计算即可获得不同距离地区、不同时段放射性物质的浓度。问题二中，为

5、了探究风速为时，核电站周边放射性物质浓度的变化情况，我们需要充分考虑气体扩散过程中的风速、地面反射、地面粗糙程度等影响核扩散的主要因素，对传统的高斯模型进行优化。问题三中，要给出上风向与下风向公里处放射性浓度的预测模型，需要考虑上风和下风不同的风速问题，得出在下风时扩散物的扩散速度会加快，根据建立的多元线性回归模型得出最终结果。问题四中，要将我们已建立的模型应用于福岛核电站的泄漏，首先我们参阅整理大量气象、地理、新闻资料，选择我国东海岸和美国西海岸洛杉矶作为研究对象，综合考虑对应海域平均风速及风向、地理距离等因素进行预测。三、模型假设(1)

6、放射性气体的源强是连续且均匀的，初始时刻放射性气体部的浓度、温度呈均匀分布；(2)整个过程中，放射性气体不发生分解，不发生任何化学反应等；(3)地面对放射性气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用；(4)在均匀气象条件下，在垂直于风传播方向上，气体浓度满足正态分布且最大浓度出现在轴线上；四、符号定义及说明核污染扩散速度风速核辐射源强风向距离侧风向距离垂直风向距离t时刻核粒子的速度矢量在三个方向上的分量在时刻的脉动速度在时刻的脉动速度在时刻的脉动速度的标准差的标准差的标准差五、模型的建立与求解5.1问题（一）5.1.1大气扩散的随机游走模型大气

7、扩散的随机游走模型，是利用计算机产生大量粒子的随机游走轨道模拟湍流扩散，是粒子随机游走方法的进一步发展。一般作法是想象式地释放成千上万个粒子模拟污染物质，各个粒子每次都以一个够短的时间长作随机游走，最终形成大量的随机轨道。由穿过单位体积的轨道数和粒子滞留时间的统计计算即可获得浓度、浓度分布律和有关参数等有意义的信息。至今随机游走模型已大量应用于点源扩散的数值模拟，逐渐发展到了浮力气体扩散，以及重气扩散模拟。该方法可反映所模拟大气的平均风场和湍流场的作用,尤其适合具有复杂的时空变化的情况,具有实际应用价值。5.1.2模型的建立随机游走扩散模型

8、中把每个核物质点当作有标志的质点,核污染物的释放可以用大量标志质点的释放来表示，这些质点在空间和时间上的总体分布就构成了污染物分布的图像。每个质点的轨迹可分割成若干个离散的区间,