基于离散相模型的铀尾矿砂大气迁移数值模拟_万芬

文章编号:1009-6094(2013)01-0096-06

基于离散相模型的铀尾矿砂

大气迁移数值模拟＊

万　芬,彭小勇,谢清芳,

张　欣,黄　帅

(南华大学城市建设学院,湖南衡阳421001)

摘　要:基于不可压缩N -S 方程和离散相模型(Discrete Phase Model ,DPM ),用数值方法研究了粒径为10μm 、50μm 、100μm 、150μm 的铀尾矿库滩面颗粒在0.5m /s 、1m /s 、2m /s 和4m /s 风速下的运动轨迹和沉降规律。结果表明,颗粒的运动轨迹同时受到风速和粒径的影响,不同粒径的颗粒在不同风速下运动轨迹相差较大,粒径为10μm 的颗粒比粒径为150μm 的颗粒在尾矿库下风向的运动随机性要大得多。在同样的大气迁移距离内,0.5m /s 风速下10μm 粒径的颗粒所花的时间是4m /s 风速的12倍。在相同的风速下,10μm 粒径颗粒的迁移距离要远大于150μm 粒径颗粒的迁移距离,且150μm 粒径颗粒大部分在尾矿库下风向800m 内沉积。

关键词:环境工程学;铀尾矿库;D PM ;数值模拟;运动轨迹;

大气迁移

中图分类号:TL752.2 文献标识码:A DOI :10.3969/j .is sn .1009-6094.2013.01.023

＊收稿日期:2012-05-30

作者简介:万芬,硕士研究生,从事空气环境及计算机仿真研究;

彭小勇(通信作者),教授,博士,从事空气环境控制方法及计算机仿真研究,pengxiaoyong @126.c om 。

基金项目:国家自然科学基金项目(11075072)

0　引　言

在铀开采和铀水冶过程中产生了大量的废渣和尾矿,且

铀废石和尾矿平均含铀量比土壤天然本底值高4～10倍,其表面辐射剂量比一般土壤平均高5～70倍[1]。在风、降水等自然因素的影响下,铀尾矿库的颗粒会发生扩散迁移,一般活性小的细分散颗粒随风迁移时具有一定的危险性,因其数量大、分布面广,会对周围的环境造成一定程度的污染[2]。陈迪云等[3]通过调查不同矿区周围环境中的土壤、动物等的放射性强度发现,矿区放射性粉尘颗粒通过风介质在空气中扩散迁移,从而对矿区周边环境形成辐射污染。同时,气流搬运吸附在气溶胶上的固体颗粒,把它们输运到远离源项的区域,甚至到达居民区,从而通过水源、食物链等对人体的健康产生负面影响。

研究颗粒大气迁移的方法主要有模型试验、现场实测以及数值模拟等,而数值模拟是现行较为常用的方法。李驰等[4]采用数值模拟方法,探讨了在风和沙粒的共同作用下,沙漠路基的风蚀破坏规律。谢莉等[5]研究了风沙运动中沙粒的起跃速度分布,并和试验结果对比,两者吻合得较好。郑晓静等[6]通过对风沙流中沙粒轨迹的统计计算,探索了风沙流中沙粒的浓度分布规律。董纪鹏[7]对颗粒起尘的影响因素进行了分析,探讨了颗粒相运动行为与流体流场之间的规律。目前关于风沙流中沙粒特性的研究较多,而对尾矿库不同粒径颗粒迁移特性的研究较少,且多为实地调查和测量,本文用数值方法研究尾矿砂的大气迁移行为。离散相模型适用于分散相非常稀薄的流动,由于尾矿库滩面的颗粒体积率较

小,因此采用离散相模型对其进行数值模拟,并探讨平地型尾矿库尾矿砂粒径和风速对颗粒运动轨迹的影响。

1　物理模型和数值方法

1.1　物理模型和边界条件

本文以平地型尾矿库为研究对象,研究风速和颗粒粒径

对颗粒的起跳、输运和沉降规律的影响。尾矿库库体呈棱台状,底面尺寸为500m ×500m ,滩面为400m ×400m ,高度为30m 。计算区域为长7000m 、宽4500m 、高300m 的长方体空间,具体见图1。1.2　控制方程

1.2.1　气流运动控制方程和湍流模型

气流运动控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程。

质量守恒方程为

u i

x i

=0(1)

动量守恒方程为

x j

u i u

j =-1ρ P x i +μρ x j u i x j +f i

(2)标准κ-ε模型不仅是常用的湍流模型,而且在预测污染物流动和浓度分布的性能上优越[8-9]。因此,本文采用标准

κ-ε模型模拟流场。标准κ-ε模型包括湍动能κ和耗散率ε的方程。

湍动能κ方程为

ρd κd t = x i μ+μt σκ κ

x i +G κ+G b -ρε-Y M (3)

湍动耗散率ε方程为ρ

d εd t =

x i

μ+

μt σε ε x i

+C 1εεκG κ+C 3εG

b -C 2ερ

ε2

κ

(4)

式中　湍流黏度μt =ρC μκ

2

ε。模型通用常数的取值分别为C 1ε=1.44,C 2ε=1.92,C 3ε=0.09;湍动能κ与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σκ=1.0,σε=1.3。1.2.2　DPM 模型

DPM 模型包括随机轨道模型和颗粒群模型两种。由于颗粒运动具有较强的随机性,且随机轨道模型在模拟各种污

图1　尾矿库模型的计算域

Fig .1　Computed field of uranium tailing impoundment

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第13卷第1期2013年2月 安全与环境学报Journal of Safety and Environment

Vol .13　No .1

Feb .,2013

染物在大气中的扩散时均取得了不错的成果[10],本文采用随机轨道模型,应用拉氏公式考虑离散相颗粒的曳力、重力和升力。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(x方向)为

d u p d t =F D u-u p+

g xρp-ρ

ρp

+F x(5)

为了考察不同风速下不同粒径的颗粒的迁移规律,假设平地型尾矿库周边常年以低风速为主,大风速一般也不会超过4m/s。因此,本文研究u10=0.5m/s、1m/s、2m/s、4m/s 共4种风速下尾矿库不同粒径的粒子迁移轨迹。对于固态颗粒污染源的源强的估算,黄燕[11]认为,风速较大时,干滩面积A=2000m2的起尘量为41.6737g/s。考虑到本文尾矿库滩面面积较大,起尘量也会较大,在计算时取起尘量值为50 g/s。铀尾矿砂采用谭凯旋等[12]提供的样品,尾矿的粒度分布见表1。粒度分布范围为0.005～5mm,其中以小于0.043 mm的细砂和0.074～0.147mm的中砂为主。尾矿的平均容重(干)为1410kg/m3。

综合考虑尾矿库滩面颗粒的粒径分布以及实际颗粒悬浮物的粒径分布,将待处理颗粒粒度的分布确定为5～200μm。将其分为4个范围,即10μm以下、10～50μm、50～100μm、100μm以上,取每个范围的临界粒径作为代表性颗粒,观察其在流场中的运动情况。其中,10μm颗粒代表小颗粒,50μm和100μm颗粒为中间颗粒,150μm颗粒代表100μm以上的较大粒径颗粒。

1.3　数值方法和边界条件

将整个计算域划分成互不重叠的子区域,即进行网格区域离散化,分区域分别生成网格。再将各网格块拼接生成总体网格系统,并且使块与块交界面上的网格保持一致,从而生成分区组合网格。对计算域进行网格分区划分时,由于尾矿库前后区域是模拟计算的重点区域,对尾矿库前后和靠近壁面的部分进行局部网格加密,其网格间隔较小,计算精度相对较大,此时生成的网格采用的是四面体网格,其他区域采用六面体进行划分。由此整个计算区域共划分为484297个网格单元,由此生成的网格既满足计算要求,又能减少网格数,从而减少了计算内存和提高了计算速度。工程上应用最广泛的流场计算方法就是压力耦合计算方法(SIMPLE算法),它也是一种用于求解不可压流场的数值方法。本文的流场数值计算就采用SIMPLE算法。

在大气边界层中,一般用风速廓线来描述平均风速随高度的变化。目前,多数国家的规范,包括我国的建筑规范都采用简便的幂函数分布来描述近地层的风速。因此,本文大气边界层来流风速剖面遵循简单的幂函数分布规律,即

u=u10z

10

α

(6)

式中　u10为参考高度z=10m的平均风速;α为风速廓线指数。本文考虑的是丘陵地区平地型尾矿库,因此α=0.16[13]。

表1　尾矿砂粒度分布

T able1　G ranularity dis tribution of tailings

粒径/ mm 0.005～

0.043

0.043～

0.074

0.074～

0.147

0.147～

2

2～5

重量分布/%52.712.034.50.50.03 大气远场出口均采用自由出流,地面采用无滑移壁面边界条件。

2　数值模拟及结果分析

若要研究尾矿库下风向颗粒的迁移特性,则必须跟踪大量不同粒径的颗粒的运动轨迹。本文考察粒径分别为10μm、50μm、100μm及150μm的4种颗粒在u10为0.5m/s、1 m/s、2m/s及4m/s下的运动轨迹。

2.1　不同风速下同粒径的颗粒轨迹

由于小、中粒径颗粒占总颗粒的比例较大,所以首先选取小粒径D=10μm和中粒径D=100μm的颗粒作为研究对象。在不同风速下,粒径D=10μm颗粒的迁移距离随时间的变化见图2。粒径D=100μm的颗粒的运动轨迹见图3。

从图2可知,不同速度的颗粒到达同样迁移距离的时间不一样。当风速为0.5m/s时,颗粒要到达出口(x=7000m)需要12000s;而大风速(u10=4m/s)时,到达同样的位置,颗粒只需要1000s,是小风速时的1/12。由此可见,同样时间内同一粒子速度越大,迁移的距离就越远。

由图3可以看出,在风速不同时,相同粒径的颗粒运动轨迹不同,最终位置也不同。不同风速下,100μm的颗粒起尘率和迁移距离随风速的增大而增大。当u10=0.5m/s时,被吹出尾矿库的颗粒较少,且迁移的距离在尾矿库下风向3000 m附近,见图3(a)。当u10=4m/s时,被吹出尾矿库的颗粒较多,迁移距离超过5000m,穿越了整个计算域流场;但大部分大颗粒在尾矿库下风向800m以内沉积,见图3(d)。这主要是由于颗粒自身所具有的重力导致尾矿库表面的颗粒在风速较小时大部分均未起尘,在风速较大时,大多数大颗粒被吹离尾矿库,但由于受到重力作用向下沉降,并最终在尾矿库下风向800m内沉积,而极少部分的大颗粒则进入绕流风,在绕流风的带动下随绕流风从出口逃逸。由此可见,风速是影响颗粒自尾矿库滩面起尘的重要因素,但颗粒进入大气后,较强的风速有利于较重的粒子在对流扩散中的沉降。

2.2　相同风速下不同粒径的颗粒轨迹

为了研究相同风速下不同粒径颗粒的运动规律,分别模拟了风速为0.5m/s、1m/s、2m/s和4m/s时不同粒径的粒子轨迹,见图4～7。

从图

4～7可以看出,在不同风速下,粒径为10μm的颗

图2　不同风速颗粒(D=10μm)的迁移距离随时间的变化图

Fig.2　Variation ch art of the migration distance(D=10μm)

with the time

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2013年2月 万　芬,等:基于离散相模型铀尾矿砂大气迁移数值模拟 Feb.,2013