城市建筑立面放射性颗粒非均匀沉积对核应急暴露评估的增强研究

《Journal of Hazardous Materials》：Heterogeneous Deposition of Radioactive Particles on Urban Facades for Enhanced Exposure Assessment in Nuclear Emergencies

本文推荐一项创新研究，通过耦合计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）与Geant4蒙特卡罗模拟，首次量化碘-131（I-131）颗粒在城市建筑立面的干沉积过程。研究揭示沉积速度受粒径、风速、立面朝向与迎风角度的显著影响，迎风面沉积速度可达1.31 m·s?1，较传统模型高两个量级。辐射模拟表明立面沉积对地面剂量率的贡献远超平坦地表，为核应急响应提供了三维城市形态下的精准暴露评估新范式。

　　

Highlight

城市建筑立面的三维几何形态——在传统核应急模型中常被简化或忽略——会导致颗粒沉积和地面辐射暴露的显著变化。通过明确解析立面朝向、建筑尺度和局部气流如何影响放射性碘-131（I-131）颗粒的沉积空间分布，本研究揭示了风驱动下各向异性沉积对辐射场分布的重塑作用：高层或宽阔建筑会放大近地面暴露风险。

Physical and numerical models

我们采用计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）多相流方法耦合框架，计算气流场和颗粒在空气中的瞬态运动行为。气流场控制方程和颗粒运动轨迹分别通过COMSOL Multiphysics 6.1的流体流动模块和流体颗粒追踪模块求解。对于浓度低于6.5%的稀相颗粒体系，可忽略颗粒-颗粒相互作用，重点关注流体-颗粒耦合机制。

Flow Structure and Wind Patterns near Building Surfaces

城市环境中，局部风-结构相互作用强烈影响颗粒运动轨迹。图7(a)展示了5 m·s^?1来流直吹建筑前立面时，x-z平面（y=3.6 cm）和x-y平面（z=0.15 cm）的速度分布。建筑立面速度幅值在0–6 m·s^?1间变化，侧翼区域加速明显，尾流区形成回流涡旋。迎风面因气流阻滞出现速度骤降，而顶部与侧缘因流线压缩产生高速剪切层，这些微尺度气流特征直接调控颗粒撞击与附着效率。

Conclusion

本研究通过高分辨率CFD颗粒沉积模型与蒙特卡罗辐射传输的耦合，定量揭示了I-131放射性颗粒行为与空间辐射风险的关联。建筑立面沉积在20°迎风角附近出现从布朗扩散主导向惯性沉积主导的机制转变，且立面污染对地面剂量率的贡献在高层建筑周边尤为突出。研究结果挑战了均匀表面污染的传统假设，强调将三维城市几何形态纳入放射性风险评估的紧迫性。