《Annals of Nuclear Energy》：Small-scale deposition behavior of radioactive plutonium aerosols in hilly terrain
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•将确定性抽样方法集成到新型耦合CFD-DPM模型中，实现了气溶胶扩散的高精度模拟和高效不确定性量化。•释放云的初始形状被确定为支配气溶胶空间分布和沉降模式的主导因素。•气溶胶沉降表现出强烈的大小依赖动力学特征，大颗粒近场沉降与小颗粒远场扩散之间存在明显分离。引言放射性气溶胶
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将确定性抽样方法集成到新型耦合CFD-DPM模型中，实现了气溶胶扩散的高精度模拟和高效不确定性量化。
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释放云的初始形状被确定为支配气溶胶空间分布和沉降模式的主导因素。
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气溶胶沉降表现出强烈的大小依赖动力学特征，大颗粒近场沉降与小颗粒远场扩散之间存在明显分离。
引言
放射性气溶胶在复杂地形中的扩散和沉降行为一直是核安全评估和应急响应面临的重大挑战，特别是在需要高分辨率预测局部沉降模式的情况下。在核设施事故（Hu等，2014；Ma等，2022）、研究堆或小堆运行（Wang等，2024；Sinha等，2024）、核武器事件（Tang等，2014）以及"脏弹"袭击（Perera，2023）等场景中，钚等放射性物质可能以多分散气溶胶形式释放到大气中（Yao等，2025）。与其他放射性核素相比，钚气溶胶具有极高的比活度、长半衰期和显著的生物毒性。对其预测的准确性直接影响污染区划定、公众内照射剂量评估以及中长期生态风险管理的决策有效性（Grann K, Molina C. 城市地区放射性污染评估，2021）。因此，开发能够准确模拟钚气溶胶复杂环境行为的预测工具具有重要的实际意义。
钚气溶胶的扩散和沉降过程受多种因素影响，包括局地气象条件和底层地形特征（Li等，2024；Liu等，2025；Pontiggia等，2009）。特别是在丘陵、山谷等复杂地形中，地表特征会改变大气边界层的流动结构，引发流线压缩、加速和流动分离等现象（Wang等，2025），进而改变污染物传输模式（Song等，2023）。Amahjour等（2023）、Mehdi和Panin（2021）的研究表明，这种地形通过调节风速和湍流动能等关键参数来影响扩散过程。尽管AERMOD（Cimorelli等，2005）和CALPUFF（Rota，2024）包含地形影响的参数化处理，但它们无法像CFD所能达到的空间分辨率那样明确解析局地三维涡旋和回流结构（Ridzuan等，2020）。更为关键的是，传统模型通常缺乏对气溶胶多分散粒径分布的物理描述。在涉及含钚放射性物质能量分散的运输事故中，化学爆炸可能迅速将源材料气化，生成包含宽尺寸范围颗粒的烟云。此类释放特别令人担忧，因为即使释放量有限，含钚气溶胶仍可能造成长期地表污染和吸入暴露风险（Tang等，2014）。受惯性力控制的大颗粒倾向于在释放源附近快速沉降，形成局部极端污染热点。相反，亚微米级可吸入细颗粒可随气流长距离传输，造成大范围、低剂量且难以监测的吸入风险。Tang等（2014）、Qiu等（2024）的研究强调了这种由粒径决定的空间分布风险，而这恰恰代表了传统模型的缺陷。
为克服这些局限性，耦合计算流体动力学与离散相模型（CFD-DPM）方法受到关注。该方法通过求解Navier-Stokes方程来分析复杂的三维流场，同时追踪离散颗粒轨迹。因此，它可以模拟湍流、颗粒惯性、重力沉降和布朗运动等多物理过程（Ma和Zhong，2024）。该方法已成功模拟了多种场景下的大气颗粒传输，包括建筑群（Valger，2021）、工业植被冠层（Ma和Zhong，2024）和城市街道峡谷（Li等，2022），展示了其捕捉流动-颗粒相互作用的高分辨率能力。然而，现有研究主要集中于人工建成环境。关于气溶胶，特别是钚等超铀核素在丘陵和山脉等自然地形下的扩散和沉降研究仍然匮乏。Mehdi和Panin（2021）等探索性工作验证了二维丘陵地形中CFD-DPM的应用。尽管证实了标准k-ε模型可以再现风洞实验观测到的加速流和背风涡旋，但缺乏对与气溶胶多分散性相关的环境行为差异的系统研究，特别是针对代表性含钚放射性气溶胶源项的粒径分布。地形流与多分散钚气溶胶沉降之间的内在耦合机制仍未得到解释。
尽管CFD-DPM耦合方法在模拟钚气溶胶传输和沉积方面具有显著优势，但其预测的可靠性严重依赖于输入参数的准确性，如湍流模型（Nguyen和Reiter，2015）、地表粗糙度（Rezaali等，2025）、粒径分布（Epelle等，2022；Talaat等，2019）以及干湿沉降（Hu等，2014；Schoenberg等，2021）。因此，有必要通过系统性敏感性分析来识别关键参数并量化其影响，以提高模型的决策支持价值。存在多种敏感性分析方法，其中Sobol指数方法（Renardy等，2021）和傅里叶振幅敏感性检验（FAST）（Nguyen和Reiter，2015；Renardy等，2021）被广泛公认为全局敏感性分析的基准方法，而Morris筛选方法则以其效率而广受欢迎（Jaxa-Rozen和Kwakkel，2018）。然而，对于CFD-DPM等计算密集型模型，即使将Sobol类方法与传统蒙特卡罗抽样相结合，也需要大量样本，导致高得无法承受的计算成本，阻碍了实际分析（Wang等，2026；Rakhimov等，2018）。与传统随机抽样相比，确定性抽样通过构建少量代表性样本点，为计算密集型模型提供了高效的一阶敏感性筛选方法（Hessling，2013）。
总之，为了弥补传统大气扩散模型在模拟复杂地形流场和多分散相钚气溶胶方面的不足，本研究采用计算流体动力学与离散相模型（CFD-DPM）数值模拟方法，分析圆柱形烟云和变径烟云两种初始模型对钚气溶胶空间分布的影响，并揭示不同粒径颗粒在复杂流场中的扩散和沉积机制。此外，针对模型参数不确定性问题，引入高效的确定性抽样策略来识别和量化关键输入参数对沉积结果的敏感性水平，从而量化其相对重要性及其对模型输出的影响机制。研究成果将加深丘陵地形下钚气溶胶扩散和沉积的理解，为核事故应急决策和风险评估提供坚实的理论基础和可靠的数值模拟方法。尽管本研究受钚气溶胶释放场景驱动，但所研究的传输和沉积机制也适用于具有可比粒径分布、颗粒密度、释放形态、地形条件和大气边界层条件的气溶胶释放。
全文结构如下：第1章介绍背景；第2章详细说明CFD-DPM耦合模型的建立和关键物理参数的引入。第3章基于确定性抽样方法建立敏感性分析框架并对其进行验证。第4章通过具体案例分析丘陵地形的流场结构和钚气溶胶的空间分布，并通过敏感性分析量化关键输入参数的不确定性。第5章总结全文结论。各章节的逻辑推进旨在为丘陵地形中放射性钚气溶胶的准确预测提供理论基础。
章节摘要
控制方程
为准确模拟丘陵地形上放射性钚气溶胶的扩散和沉积行为，本研究构建了雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程与离散相模型（DPM）的耦合计算框架。
气相场模拟采用RANS方法求解大气边界层流的稳态解。在本模拟中，未求解能量方程，空气密度被视为常数。
模型建立
为量化关键输入参数不确定性对CFD-DPM模型结果的影响，本研究建立了一个基于高效确定性抽样方法的敏感性分析框架。该方法为每个输入参数构建有限的离散样本点集Si（SP点）及其相应权重，确保加权统计矩与参数的理论分布矩完全匹配。该方法能够估算输出
流场和沉积结果
为更深入地了解丘陵地形上放射性钚气溶胶的扩散和沉积行为，本研究首先分析了稳态流场。为揭示山丘绕流的物理机制，计算域内分析截面的具体位置如图8所示。
流场结构的形成和演化源于压力场的空间非均匀分布。压力
结论
本研究采用耦合计算流体动力学-离散相模型（CFD-DPM）数值模拟方法，系统研究了丘陵地形上放射性钚气溶胶的扩散和沉积模式。研究重点比较了圆柱形烟云和变径烟云两种初始形状，揭示了复杂流场驱动下不同尺寸颗粒的分布差异。通过高效的确定性抽样
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
杨苗|蔡幸福|邵宇瑞|田佳乐|李淑芬|霍永刚|方升|王明军
