26 марта 2011

Трехмерное моделирование атмосферного переноса радиоактивных веществ

Atomic-Energy.ru

Авторы:

ИБРАЭ РАН: И.И. Линге, д.т.н., И.А. Осипьянц, к.ф.-м.н., В.Н. Семенов, д.ф.-м.н., В.В. Чуданов, к.ф.-м.н., О.С. Сороковикова, д.ф.-м.н., А.Е. Аксенова, к.ф.-м.н..

ЗАО «Неолант»: Д.В. Чуйко, П.А. Бунто, Е.С. Чеховская.

Система прогнозирования и визуализации радиационной обстановки на основе трехмерного моделирования атмосферного переноса радиоактивных примесей в условиях городской застройки (на промплощадках объектов) является эффективным инструментом повышения готовности аварийных служб и подразделений. 

Оценка последствий рассеивания и выпадения радиоактивных или токсических веществ на промплощадках предприятий и в городской застройке, принятие адекватных решений по защите персонала и населения требуют прогнозирования радиационной обстановки в условиях быстрого изменения ситуации.

Возможность такого прогноза позволяет ставить и решать целый ряд задач по повышению аварийной готовности радиационно-опасных предприятий, таких как:

  • анализ, оптимизация и проверка реалистичности планов ликвидации последствий чрезвычайной ситуации (ЧС), исследование возможности смягчения последствий (предотвращения) ЧС, недопущения перерастания ее в катастрофу;
  • проектирование и оптимизация объектовых систем АСКРО;
  • обучение персонала, тренинги и создание тренажеров, позволяющих проводить отработку действий по управлению силами и средствами в аварийных ситуациях (например, роботами) в имитационном режиме;
  • ознакомление персонала аварийно-спасательных формирований с условиями работы в зоне возможного радиоактивного загрязнения и оптимизация защитных мероприятий;
  • подготовка и проведение учений и деловых игр.

В ИБРАЭ совместно с ЗАО «Неолант» разработан прототип интерактивной трехмерной компьютерной системы для моделирования радиационной обстановки в городских условиях при чрезвычайных ситуациях радиационного характера, а также для решения перечисленных выше задач. Конечной целью разработки является создание инженерной информационно-моделирующей системы, которая могла бы быть использована лицами, не являющимися специалистами ни в численных методах вычислительной гидродинамики, ни в физике атмосферы.

Информационно-моделирующая система для поддержки принятия решений по защите населения и минимизации последствий инцидентов с рассеиванием радиоактивных веществ в атмосфере на основе оперативного картирования и анализа складывающейся и прогнозируемой радиологической ситуации включает три тесно связанные между собой подсистемы: 

  • база данных цифровых трехмерных моделей объектов – промышленных площадок и элементов городской застройки;
  • подсистема расчета концентраций и плотности выпадения загрязняющих веществ в заданных метеорологических условиях;
  • подсистема обработки и  визуализации результатов расчета.

В настоящее время разработаны отдельные компоненты этой системы.  

База данных цифровых трехмерных моделей

Создание базы данных трехмерных цифровых моделей объектов требует значительных усилий в силу большого объема исходной информации. Так, на сегодняшний день в России для абсолютного большинства потенциально ядерно- и радиационно-опасных предприятий и населенных пунктов, находящихся в зонах влияния таких предприятий, подобные трехмерные модели не разработаны.

Их создание только для объектов с наиболее высоким уровнем риска требует методичной и целенаправленной работы в течение нескольких лет. Однако прогнозируемое в последние годы увеличение количества техногенных и природных катастроф обуславливает особую необходимость отработки и применения подобных технологий уже в настоящее время.

Для решения указанной задачи авторами статьи в рамках реализации ФЦП ЯРБ впервые  в России  выполняются работы по созданию трехмерных моделей площадок АЭС (рис. 1).   

Рис. 1. Пример бройлерной трехмерной модели площадки АЭС 

Для создания модели используется проектная документация, предоставляемая по официальному запросу соответствующими проектными организациями. Поскольку для задач расчета и визуализации переноса радиоактивных примесей важны, прежде всего, габариты зданий, сооружений и относительные расстояния между ними, модель выполнена без детализации (бройлерная модель). 

Разработанная  трехмерная модель содержит информацию, которая впоследствии будет использована для расчета распространения радиоактивных примесей в приземном слое воздуха с учетом геометрии зданий и сооружений на площадке, а также для визуализации и представления расчетных данных о распределении радиоактивных примесей в трехмерном пространстве.

Для организации информационного обмена с расчетным модулем данные трехмерной модели готовятся в определенном формате, согласованном с подсистемой гидродинамического расчета метеорологических полей и концентрации примесей. 

Гидродинамический расчетный модуль

Вычислительным «ядром» системы является модуль расчета атмосферного переноса примесей. 

При оценке атмосферного переноса на сравнительно большие расстояния (несколько километров) представляет интерес усредненные характеристики загрязнения, которые могут быть определены на основе усредненного поля скоростей ветра и, как правило, не требуют расчета поля скоростей ветра, а используют, например, данные метеопрогноза. Распространение атмосферных загрязнителей в городской застройке (несколько рядов зданий) имеет существенные особенности, поскольку в этом случае на первый план выходят такие аэродинамические явления, как рециркуляционные зоны позади препятствий, области гидродинамической тени и т.д., благодаря которым локальные направления и скорость ветра могут радикально отличаться от усредненных значений. Следовательно, необходимо рассчитывать поле скоростей ветра, исходя из детальной геометрии расположения препятствий. Единственный способ вычисления такого поля состоит в прямом решении уравнений Навье-Стокса с соответствующими граничными условиями на твердых поверхностях и использованием моделей турбулентности в области сложной геометрии (трехмерная распределенная модель, рис. 2).

Рис. 2. Пример расчета концентрации примеси спустя 4 мин. после выброса с помощью трехмерной распределенной модели городской среды (слева) и результат расчета на основе гауссовой модели (справа)

Расчет распространения примесей в вычисленном ветровом поле производится на основе решения трехмерного уравнения адвекции-диффузии с коэффициентами турбулентного обмена, следующими из модели турбулентности. Для примесей в аэрозольной форме рассчитывается осаждение частиц на горизонтальные и вертикальные поверхности. Влияние устойчивости атмосферной стратификации может быть учтено за счет задания вертикального градиента температуры и соответствующей коррекции коэффициентов турбулентной диффузии в зависимости от используемой модели турбулентности.

Очень большое значение для поддержки принятия решений имеет оперативность расчетов. Ограничивающим звеном является модуль гидродинамического расчета поля скоростей ветра. (Расчет адвекции-диффузии примеси на заданном поле ветра занимает значительно меньше машинного времени).

Для разумного пространственного разрешения трехмерная расчетная сетка для области, включающей несколько рядов зданий, должна иметь как минимум 

5-10 млн узлов. При этом объем вычислений оказывается таким, что в настоящее время непосредственный расчет поля скоростей ветра занимает много часов. Один из способов радикально сократить затраты времени состоит в использовании для каждого объекта заранее рассчитанных метеорологических полей для конечного набора направлений ветра с интерполяцией по направлению и скорости.

Система визуализации

Созданная система визуализации работает в «реальном времени», что дает возможность использовать ее в качестве тренажера для тренировки персонала (отработки действий в условиях ЧС).

Интерактивная программа-визуализатор позволяет представлять результаты вычислений в режиме on-line. С ее помощью можно визуализировать:

  • геометрическую модель в виде набора 3D-объектов с наложенными текстурами и с операциями поворота, приближения–отдаления рассматриваемой области, отдельных фрагментов;
  • изоповерхности разного уровня концентрации в виде облака точек, линий или треугольников с возможным использованием режима прозрачности, чтобы не заслонять здания; 
  • изменения уровня концентрации в зависимости от времени в точках мониторинга; 
  • поверхности осаждения;
  • поле ветра.

Реализованы возможности: отслеживания времени, которому соответствуют визуализируемые изоповерхности, значения  концентрации в месте размещения курсора; окна с локальным видом, открывающимся перед пользователем из текущего положения курсора на местности и общим 2D-планом геометрической модели; управления направлением и скоростью движения передвижной радиометрической лаборатории (ПРЛ) – курсора (рис. 3). 

Рис. 3. Курсор интерактивной программы-визуализатора – передвижная радиометрическая лаборатория

ПРЛ имеет возможность произвольной навигации на местности с учетом ограничений движения в виде стен зданий и осуществления замеров в разных точках расчетной области, с демонстрацией их на контрольной панели. В интерактивном режиме производится управление направлением и скоростью движения ПРЛ, расстановка флажков, маркирующих область загрязнения. Макет имеет развернутую систему подсказок и помощи. 

Для визуализации результатов прогнозирования радиационной обстановки разработан специализированный программный модуль, который представляет собой дополнение для среды визуализации 3D Studio MAX версии 8 и выше. Такая среда используется для создания STL-моделей объектов городской застройки и/или промплощадок, передаваемых затем в расчетный комплекс для создания трехмерной математической модели объемного распределения характеристик радиационного загрязнения. Последующая визуализация этих характеристик является как раз задачей программного модуля. В частности, в окончательном варианте модуль будет обеспечивать трехмерное визуальное представление об объемном распределении концентраций радиационного загрязнения в приземном слое воздуха, поверхностном распределении плотностей выпадений загрязнения, векторных полях его переноса и характеристиках радиационной обстановки (мощностях доз внешнего облучения от радиоактивного облака и загрязненной поверхности, интегральных дозах внешнего и внутреннего облучения от ингаляции радиоактивных веществ). 

В настоящее время реализованы функции визуализации объемного и поверхностного распределения концентраций радиационного загрязнения в приземном слое воздуха и плотности выпадений. 

Таким образом, сегодня использование модуля (совместно с базовым функционалом среды 3D Studio MAX) позволяет:

  • создавать трехмерные модели с визуализированным объемным распределением концентрации радиоактивных загрязнений (рис. 4);
  • отображать разрезы, получаемые при сечении плоскостью такой модели (рис. 5);
  • получать данные о концентрации радиоактивного загрязнения в выбранной визуализируемой точке;
  • создавать фильмы в формате AVI для визуализации временной эволюции объемного распределения концентраций радиоактивного загрязнения.

 

Рис. 4. Кадр видеоролика облета площадки АЭС, демонстрирующего модель распространения радиоактивного загрязнения

Рис. 5. Разрез «облака» радиоактивного выброса в районе эпицентра

Применение расчетных комплексов на основе динамических, легко управляемых трехмерных моделей в процессе планирования и управления аварийными ситуациями существенно повышает информированность и координацию специалистов служб и подразделений, участвующих в ликвидации последствий аварии, персонала объектов, населения прилегающих территорий. Наглядность, присущая трехмерным моделям, обеспечивает оперативность принятия решений ответственными лицами. Визуализация полученных расчетных данных на трехмерной модели объекта способствует быстрой оценке обстановки и позволяет снизить негативное воздействие последствий аварийных ситуаций на персонал объекта, население прилегающих территорий и специалистов аварийных служб.