ТРЕХМЕРНОЕ CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ

Постановка задачи

В последние годы все большую актуальность приобретает задача трехмерного гидродинамического моделирования процессов переноса загрязнений в атмосфере в условиях городской и индустриальной застройки. В значительной мере это связано с тем, что современный уровень развития вычислительной техники позволяет ставить и решать такие задачи не только в теоретическом, но и в практическом плане. Создание подобных моделей открывает перспективы более точной и адекватной оценки радиационных рисков и прогнозирования радиационной обстановки при авариях и инцидентах на промплощадке ЯРОО, а также при оценке последствий атмосферного переноса радиоактивных и токсичных веществ в условиях мегаполиса (что очень важно с точки зрения противодействия угрозам радиологического терроризма).

Используемые для оценки дисперсии и выпадения радионуклидов модели атмосферного переноса (гауссовы, лагранжевы, эйлеровы) совершенно неприменимы для прогнозирования развития обстановки на плотно застроенных территориях, поскольку не описывают аэродинамических эффектов, возникающих при обтекании препятствий (зданий и сооружений). Наиболее корректный способ оценки радиационной обстановки состоит в моделировании воздушных течений в сложной трехмерной геометрии промплощадок на основе решения трехмерных уравнений Навье-Стокса с соответствующими граничными условиями на твердых поверхностях и с использованием моделей турбулентности (CFD-кодов). 

Учитывая специфику задачи, в ИБРАЭ РАН разработан и верифицирован CFD-код с моделями турбулентности типа LES и RANS, использующий простые однородные  сетки, и создана информационно-моделирующая система поддержки принятия решений по защите населения при радиационных авариях, включающая в себя базу цифровых 3D-моделей промышленных площадок и элементов городской застройки, модули расчета концентраций и плотности выпадения радиоактивных веществ и визуализации результатов расчета. 

Расчет распространения примесей в вычисленном ветровом поле производится на основе решения трехмерного уравнения адвекции-диффузии с коэффициентами турбулентного обмена, следующими из модели турбулентности. Влияние устойчивости атмосферной стратификации учитывается заданием вертикального градиента температуры. Для примесей в аэрозольной форме рассчитывается осаждение частиц на горизонтальных и вертикальных поверхностях. Расчет мощности дозы в заданной точке на площадке производится путем прямого интегрирования вкладов от источников в расчетных ячейках с активностью в объеме воздуха и на поверхностях.

Поверхностная концентрация радионуклидов в условиях городской застройки.

Изоповерхность концентрации радиоактивных веществ в воздухе.

Пользовательская оболочка расчетного CFD-кода включает в себя интерактивную программу-визуализатор, обеспечивающую представление результатов вычислений в режиме реального времени.

Визуализация результатов расчета поверхности уровня концентрации активности в  воздухе.

Моделирование переноса и распределение плотности осаждения радиоактивных аэрозолей на промплощадке АЭС.

Верификация кода

Верификация разработанного в ИБРАЭ РАН трехмерного CFD-кода осуществлялась на натурных экспериментах с измерениями компонентов скорости ветра и концентрации примеси, в том числе на широкомасштабных экспериментах, проведенных проведенные в городах США. Выполнена кросс-верификация с известным коммерческим кодом ANSYS FLUENT.

Моделирование распространения загрязнения в условиях  реальной городской застройки (крупнейший натурный верификационный эксперимент в Оклахоме, США).

Разработанные в  Институте CFD-коды входят в состав программно-технического комплекса поддержки принятия решений ЦНТП ИБРАЭ РАН. Модуль трехмерного моделирования включает в себя три взаимосвязанные подсистемы:

• базу данных цифровых трехмерных моделей моделируемых объектов — промышленных площадок ЯРОО и элементов городской застройки;
• подсистему расчета концентраций и плотности выпадения загрязняющих веществ в заданных метеорологических условиях;
• подсистему обработки и  визуализации результатов расчета, обеспечивающую представление результатов вычислений в режиме реального времени.

Практическое применение

Наличие эффективных средств 3D-моделирования атмосферного переноса радионуклидов дает возможность детально прогнозировать развитие радиационной обстановки на промплощадке ЯРОО и позволяет успешно решать целый ряд задач по повышению аварийной готовности:

• реалистичный анализ аварийных планов, оптимизация мероприятий по предотвращению ЧС с радиационным фактором и ликвидации их последствий;
• разработка и научно-техническая поддержка территориальных и ведомственных систем аварийного реагирования;
• проектирование и оптимизация объектовых АСКРО;
• создание тренажеров и программных имитаторов радиационных аварий, предназначенных для обучения персонала кризисных центров и аварийно-спасательных формирований, отработки действий по управлению силами и средствами в условиях ЧС;
• подготовка и проведение противоаварийных учений и тренингов.

Моделирование радиационной обстановки на промплощадке ЯРОО с использованием трехмерных моделей

В рамках реализации Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года» (ФЦП ЯРБ-1) созданы 18 трехмерных моделей промышленных площадок АЭС и ряда предприятий атомной отрасли, в том числе ОАО «СХК», ФГУП «ПО «Маяк» (4 объекта), ОАО «ГНЦ НИИАР», НИЦ «Курчатовский институт», Кирово-Чепецкого отделения филиала «Приволжский территориальный округ» ФГУП «РосРАО», ОАО «Машиностроительный завод».

Примеры построения трехмерных моделейпромплощадок АЭС.

Результаты моделирования радиационной обстановки на площадке Электростальского завода тяжелого машиностроения в ходе радиационного инцидента в апреле 2013 г.

Аналитическая поддержка мероприятий по противодействию угрозе радиологического терроризма

В настоящее время в России создается система реагирования на акты радиологического терроризма, радиационные аварии и инциденты, призванная гарантировать высокий уровень защиты крупных городов с высокой плотностью населения и критически важных для обеспечения жизнедеятельности общества объектов транспортной и социально-экономической инфраструктуры. Одним из ключевых элементов такой системы является разработка и  совершенствование новых программных средств экспресс-оценки и прогнозирования радиационной обстановки на основе современных информационных технологий и трехмерных CFD-кодов. Создание подобных средств позволяет оперативно  анализировать последствия диспергирования радиоактивных веществ в условиях плотной городской застройки и проводить расчетное обоснование эффективности защитных мероприятий.

Модель изменения концентрации ²⁴¹Am в воздухе в случае подрыва взрывного устройства с включением в него радиоактивного источника для одного из вариантов городских условий.

Расчетные распределения концентрации примеси от точечного источника на разных высотах.