Mesures et étude numérique de la dynamique des fluides de la distribution intérieure du radon dans une pièce typique ventilée naturellement

Dec 27, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2064 (2023) Citer cet article

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Sur la base des normes de sécurité de base de l'Union européenne visant à protéger les personnes contre l'exposition aux rayonnements ionisants, il est nécessaire d'établir et de traiter les niveaux de référence pour les concentrations intérieures de radon. Par conséquent, la concentration intérieure de radon doit être surveillée et contrôlée dans les habitations et les lieux de travail. Cependant, une ventilation adéquate et la durabilité sont les principaux facteurs qui influencent la santé de l'environnement d'un bâtiment pour ses occupants. Dans cet article, la distribution intérieure du radon dans une pièce typique ventilée naturellement selon deux scénarios (lorsque la porte est fermée et ouverte) à l'aide de la technique de dynamique des fluides computationnelle (CFD) a été étudiée. Le code CFD ANSYS Fluent 2020 R1 basé sur la méthode des volumes finis a été utilisé avant que les résultats de la simulation ne soient comparés aux calculs analytiques ainsi qu'aux mesures passives et actives. La concentration moyenne de radon issue de la simulation CFD s'est avérée comprise entre 70,21 et 66,25 Bq m−3 dans des conditions de fermeture et de porte ouverte, respectivement, au taux de ventilation souhaité de 1 ACH (Air Changes per Hour). De plus, les concentrations les plus élevées de radon ont été mesurées près du sol et les valeurs les plus faibles ont été enregistrées près de l'entrée, ce qui a donné le profil de vitesse du flux d'air. Les résultats de la simulation étaient en bon accord avec les maxima de 19 % et 7 % par rapport aux calculs analytiques à différentes vitesses de l'air intérieur dans les scénarios de porte ouverte et fermée, respectivement. Les concentrations de radon mesurées obtenues par les mesures actives correspondaient également bien aux résultats CFD, par exemple, avec un écart type relatif d'environ 7 % et 2 % lorsqu'elles sont mesurées par les moniteurs AlphaGUARD et RAD7 à une hauteur de 1,0 m au-dessus du sol dans le scénario porte ouverte. À partir des résultats de la simulation, la dose efficace reçue par un individu de l'air intérieur du lieu de travail a également été calculée.

Au cours des dernières décennies, un degré important d'inquiétude a été soulevé dans le monde entier concernant les risques pour la santé suite à l'exposition au radon et à ses produits de filiation. D'une part, les gens passent environ 80 % de leur vie dans des lieux confinés et fermés, c'est-à-dire dans des maisons et des bureaux, mais d'autre part, près de 50 % de la dose de rayonnement de fond naturel pour l'homme provient de l'inhalation de ces gaz et leurs descendants aéroportés1,2. Le radon est un gaz radioactif. C'est le produit de désintégration du 226Ra ayant une demi-vie de 3,84 jours et une particule alpha émettant un radionucléide inerte (5,49 MeV). Ce sont des nucléides naturels et considérés comme le gaz dangereux pour l'environnement humain car les particules alpha peuvent causer des dommages importants à une cellule. Les produits de désintégration du radon peuvent se déposer dans les tissus pulmonaires selon un schéma hétérogène1 et sont connus comme la deuxième source principale de cancer du poumon après le tabagisme2. Par conséquent, connaître le comportement et la distribution du radon intérieur, c'est-à-dire les niveaux exacts de radon en différents points et zones, en particulier dans les zones respiratoires des bâtiments résidentiels, est essentiel aux fins d'évaluation des doses3,4,5. En dehors de cela, on estime que l'exposition au radon à l'intérieur représente environ 9 % de tous les décès par cancer du poumon et 2 % de tous les décès par cancer en Europe6. En Hongrie, concernant les nouvelles normes actualisées des normes de sécurité de base de l'Union européenne7, il est recommandé que la concentration annuelle moyenne de radon dans les habitations ou les lieux de travail7 ne soit pas supérieure à 300 Bq m−3 et les pays membres doivent préparer et réviser en permanence une Plan d'action sur le radon pour réduire le risque de cancer du poumon lié à l'exposition au radon. Par conséquent, la concentration intérieure de radon doit être surveillée et contrôlée dans les habitations et les lieux de travail.

Étant donné que le radon provient de la désintégration naturelle de l'uranium que l'on trouve dans presque tous les sols, il se déplace généralement à travers le sol vers l'air au-dessus et dans votre maison à travers les fissures et autres trous dans les fondations. Votre maison emprisonne le radon à l'intérieur, où il peut s'accumuler. Toute maison peut avoir un problème de radon. Cela signifie des maisons neuves et anciennes, des maisons bien étanches et avec des courants d'air, et des maisons avec ou sans sous-sol. Le radon des gaz souterrains est la principale cause des problèmes de radon. Parfois, le radon pénètre dans la maison par l'eau de puits. Dans de nombreuses maisons, les matériaux de construction peuvent également dégager du radon. Cependant, les matériaux de construction causent rarement des problèmes de radon par eux-mêmes. Par conséquent, étant un gaz noble, le radon est facilement libéré du terme source vers les pores (émanation) et par la suite des pores vers l'environnement extérieur (expiration).

Un certain nombre de techniques ont été utilisées pour mesurer les concentrations de radon et leurs produits de désintégration dans l'environnement, y compris les méthodes actives et passives. Les dispositifs et les méthodes peuvent varier sur une large gamme d'échantillonnage ponctuel, d'échantillonnage intégré dans le temps (à court terme et à long terme) et d'échantillonnage de continuums (connu sous le nom de surveillance du radon en temps réel). Cependant, les appareils de mesure du radon sont également classés différemment en fonction de leur méthode utilisée de surveillance du radon en plus d'autres classifications, c'est-à-dire la collecte électrostatique des produits de désintégration (RAD7, Tesla TSR2, EQF3220), l'appareil à chambre ionisante (AlphaGUARD), le compteur photomultiplicateur et scintillation (scintillation liquide ou cellule de scintillation), absorption de radon (charbon actif), détecteurs de traces gravées (CR-39, LR115). Nous devons décider quelle technique utiliser sur la base de la faisabilité et du coût de la mesure ainsi que de la précision et de l'applicabilité de la technique.

En cas de problèmes standard de mesure des concentrations intérieures de radon, en effet, les mesures de radon dans les maisons sont faciles à réaliser, mais doivent être basées sur des protocoles normalisés (par exemple, nationaux) pour garantir des mesures précises et cohérentes. Ils ne traitent pas de tous les aspects techniques de la technologie des appareils de mesure, de l'assurance qualité ou des techniques d'identification spécifique des sources de radon telles que le radon dans les approvisionnements en eau, les matériaux de construction ou relatifs à la possession et à la manipulation de matières radioactives. De plus, la forte variation du radon intérieur rend les mesures à court terme peu fiables pour la plupart des applications. Un autre problème est lié au type de détecteur qu'il convient de sélectionner avec soin car il influence le coût de la mesure par logement et donc le coût d'un programme radon au niveau national.

Dans les espaces confinés, un facteur essentiel pour la santé humaine, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique est le taux de ventilation car le degré d'exposition peut être important, en particulier dans les bâtiments mal ventilés où le gaz radon, plus lourd que l'air, peut s'accumulent facilement et atteignent des concentrations d'activité létales en termes de santé humaine. Il convient de mentionner que la ventilation n'affecte pas directement la santé des occupants, mais le taux de ventilation affecte les concentrations de polluants dans l'air intérieur qui, à leur tour, modifient la santé des occupants. Des études antérieures ont rapporté que les concentrations intérieures de radon et de thoron sont liées aux paramètres météorologiques environnementaux et aux conditions de ventilation des bâtiments en appliquant des méthodes numériques et expérimentales ainsi que différents logiciels de dynamique des fluides computationnelle (CFD) comme outils analytiques et puissants8,9,10,11 ,12,13,14. Par exemple, Zhou et al. appliqué la méthode des différences finies pour dériver des équations discrètes avant de les relier au code commercial FU-JITSU/a-FLOW pour étudier les concentrations et leurs distributions de 222Rn et 220Rn ainsi que leurs descendants dans une salle modèle8. Rabi et al. implémenté une distribution de 222Rn à l'intérieur d'une salle marocaine typique à l'aide du logiciel Fortran12. Chauhan et al. et Agarwal et al. à cet égard également utilisé le logiciel Fluidyn MP basé sur la méthode des volumes finis (FVM)11,14. Par conséquent, une ventilation appropriée pourrait réduire la pollution intérieure due à l'exhalation de radon provenant du sol ou de matériaux de construction contaminés.

Le radon, après avoir été libéré des murs et du sol, se diffuse dans l'environnement intérieur. Comprendre sa distribution est important pour prédire les variations spatiales et temporelles des niveaux qui peuvent finalement être utilisés pour les calculs de dose et la recherche sur le contrôle de l'exposition. Comme le temps passé à l'intérieur est suffisamment important ; la compréhension, la prévision et la mesure de la distribution intérieure du radon deviennent très importantes. De plus, le niveau de concentration et la distribution spatiale du radon peuvent être affectés par les conditions de ventilation du logement. L'objectif principal de cette étude est d'estimer la distribution intérieure du radon dans une salle d'essai typique ventilée naturellement dans les deux scénarios suivants : conditions de porte fermée et de porte ouverte. Le besoin de l'étude est la prédiction du niveau d'activité et d'étudier l'effet de la ventilation naturelle sur le radon intérieur. Par conséquent, la vitesse d'entrée a été calculée sur la base du taux de ventilation. Ainsi, sur la base de la norme 62.1 de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), des normes de ventilation dans les bâtiments sont suggérées pour répondre aux réglementations sur la qualité de l'air intérieur qui tiennent compte du volume ou de la surface et du nombre d'habitants15. De plus, Yoshino et al. ont rapporté que le taux de renouvellement d'air minimum (c'est le nombre de fois que le volume d'air total dans une pièce ou un espace est complètement retiré et remplacé en une heure) dans la majorité des pays européens est de 1 h−1, ce qui est également conforme avec la réglementation japonaise concernant les taux d'échange d'air dans les bâtiments16. En tenant compte des critères susmentionnés, une gamme différente de taux de ventilation de 0,3 à 4,3 h−1 (également rapportée par Zhou et al.8 et Agarwal et al.14) a été considérée et évaluée dans la présente étude. Le terme source de radon en tant que paramètre d'entrée clé dans le logiciel CFD (ANSYS Fluent 2020 R1 basé sur le FVM) a également été mesuré par une technique de chambre d'accumulation pour des échantillons de ciment (décrit en détail dans Kocsis et al.17 et Shahrokhi et al. 18) avant que les simulations ne prennent en compte la géométrie de la pièce. Pour valider les résultats de la simulation, deux paires de méthodes courantes de surveillance du radon, à savoir NRPB et Raduet (en tant que méthodes passives basées sur le CR-39) ainsi qu'AlphaGUARD et RAD7 (en tant que méthodes actives), ont également été utilisées pour mesurer la concentration intérieure de radon sous les scénarios susmentionnés à divers endroits dans la pièce.

Le modèle géométrique considéré dans cette étude était basé sur la taille typique d'une pièce à l'Institut de radiochimie et de radioécologie de l'Université de Pannonie en Hongrie (Fig. 1). Les dimensions de calcul globales du modèle géométrique de la pièce étaient de 3,0 m (W) × 4,0 m (L) × 2,8 m (H) le long des axes X, Y et Z, respectivement, y compris une fenêtre (1,2 m × 0,8 m) dans le milieu du mur du côté droit, qui fait face à l'environnement extérieur, et une porte (2,2 × 1,0 m) du côté gauche du mur avant. De plus, des maillages triangulaires non structurés ont été utilisés pour le maillage ANSYS en raison de leur simplicité et de leur degré de précision accessible pour notre géométrie simple. De plus, le maillage non structuré a une distribution de maillage à haut rendement, ce qui permet de créer moins de cellules qu'un maillage structuré19. L'étude de convergence a été réalisée pour le modèle et la vitesse moyenne à la sortie a été considérée comme base. Dans cette étude, la configuration porte fermée avec Ach 4,3 (changements d'air par heure) (h−1) simulée pour quatre types de maillage différents. La convergence du modèle est illustrée à la Fig. 2 ; par conséquent, le nombre total de 1 267 543 cellules avec un volume minimum de 2,3 × 10–9 m3 a été utilisé pour l'analyse.

Schéma de principe de la salle modèle avec son maillage.

Etude de convergence du modèle.

Les codes informatiques CFD résolvent l'ensemble des équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour spécifier l'écoulement du fluide et les phénomènes associés. En discrétisant et en linéarisant les équations ainsi que sous les conditions aux limites pertinentes, le domaine de calcul est défini. Dans cette étude, certaines hypothèses sont prises en compte : (A) l'air pénètre dans la pièce depuis l'environnement extérieur par la fenêtre (entrée) et quitte la pièce par la porte (sortie) ; (B) flux d'air continu et incompressible à l'intérieur de la pièce ; et (C) distribution homogène de la température intérieure. Par conséquent, le champ d'écoulement intérieur en régime permanent pourrait être exprimé par la continuité et la conservation des équations de quantité de mouvement comme suit, respectivement8,11 :

Dans les équations ci-dessus, Ui et Uj désignent les vecteurs vitesse (ms-1) (i, j sont les indices représentant les composantes de vitesse) ; P représente la pression (N m-2) ; μe = (μ + μt) représente la viscosité effective (N sm−2), où μ et μt désignent respectivement les viscosités dynamique et turbulente ; ρ est la masse volumique (kg m−3) et S est le terme source du radon (Bq m−3 s−1). De plus, afin de simuler la dispersion du radon à l'intérieur de la pièce, l'équation d'advection-diffusion est également appliquée :

où C représente la concentration en radon dans le local (Bq m−3), S représente le terme source du radon (Bq m−3 s−1), D désigne le coefficient de diffusion du radon dans l'air (1,2 × 10–5 m2 s− 1), U désigne la vitesse moyenne du flux d'air (m s-1) et λ la constante de désintégration du radon (2,1 × 10–6 s−1).

D'autre part, étant donné que la création d'un modèle approprié et la caractérisation des conditions aux limites appropriées jouent toutes deux un rôle clé dans l'utilisation des techniques CFD, certaines conditions et paramètres aux limites majeurs sont appliqués dans cette étude :

La vitesse de l'air d'admission a été calculée en tenant compte de la valeur ACH. La vitesse de l'air en termes de condition aux limites d'entrée (fenêtre) correspondant aux différents taux de ventilation et à la surface de ventilation a été calculée par l'équation suivante8,11 :

où Vroom et Avent désignent le volume de la pièce, supposé être de 33,6 m3, et la surface de ventilation (surface de la fenêtre = 1,2 m × 0,8 m), respectivement. Normalement, 1 ACH est suffisant pour répondre aux exigences de ventilation. Dans cette étude, la vitesse de l'air d'entrée a été calculée à environ 0,01 ms-1 pour valider les résultats de la simulation CFD en suivant les méthodes passives et actives.

Pour les paramètres de la salle et les vitesses d'entrée, puisque les nombres de Reynolds calculés se sont avérés supérieurs au 2000 lorsque ACH = 1 h−1 et plus (régimes turbulents), le modèle standard k-ε, qui a été utilisé par de nombreux chercheurs8, 10,11, a été utilisé pour intégrer l'effet de la turbulence sur le champ d'écoulement étant donné qu'il est capable de décrire le phénomène étudié.

Un autre paramètre d'entrée majeur est le taux d'exhalation du radon de surface. Les taux moyens d'exhalation de radon en surface pour les échantillons de ciment ont été mesurés à 3,1 ± 0,1 (Bq m−2 h−1) selon une technique de chambre d'accumulation fermée utilisant un AlphaGUARD PQ2000 PRO professionnel, qui a été décrite en détail par Kocsis et al.17 . En outre, Porestendorfer a résumé les autres enquêtes et a rapporté la gamme typique des taux d'exhalation de radon de surface pour les matériaux de construction utilisés dans différents pays qui se situent dans la gamme de 0,36 à 10,8 Bq m−2 h−120. Les valeurs rapportées dans cette étude sont également conformes à ces fourchettes. Par conséquent, le taux de génération de radon (Bq m−3 h−1), en tant que paramètre d'entrée dans le code CFD, peut être calculé à partir de l'Eq. 5 :

où i = 1, 2 et 3 désignent respectivement le mur, le sol et le plafond de la pièce, tandis que Ei (Bq m-2 h-1) et Ai (m2) représentent respectivement le taux d'exhalation de radon et la surface.

Dans cette étude, la concentration moyenne de radon extérieur a également été mesurée à environ 10 Bq m−3 avant d'être convertie et utilisée comme entrée dans le code CFD.

Dans cette simulation, le critère de convergence est défini comme la différence relative maximale entre deux itérations consécutives doit être inférieure à 10–6.

Dans le tableau 1, une liste de toutes les conditions aux limites pour chaque surface du modèle est présentée. En sélectionnant le modèle de transport des espèces dans ANSYS Fluent, toutes les espèces volumétriques, y compris le radon, l'air et la vapeur d'eau, ont été définies. Pour modéliser l'humidité, la teneur en vapeur d'eau serait définie dans le modèle comme une espèce. Les autres matériaux pris en compte dans le modèle sont le béton léger pour les sols, le béton dense pour les murs, les matériaux des fenêtres et les matériaux de base des portes. Par la suite, des simulations ont été effectuées jusqu'à l'obtention de résultats convergents à différents taux de ventilation. Enfin, un logiciel a résolu toutes les équations pertinentes par le schéma couplé avec discrétisation du second ordre, et la fraction massique de radon a été prédite avant d'être convertie en activité volumique (Bq m−3).

Dans un local ventilé, le coefficient de diffusion du radon n'est pas pris en compte et l'équation de transport du radon ou concentration en radon dans un bâtiment ou un local de volume V est décrite 21 comme suit :

où Ci est la concentration intérieure en radon (Bq m−3) à l'instant t (h), C0 est soit la teneur initiale en radon à t = 0 (h) soit la concentration extérieure en radon, λ est le taux de décroissance totale du radon et le taux de ventilation (λ = λRn + λV) en h-1, E (Bq m−2 h−1) est le flux de radon ou le taux d'exhalation de radon du sol ou du matériau de construction, A est la surface d'exhalation (m2) et V est le volume (m3) de la maison.

Dans cette enquête, les détecteurs Raduet et NRPB qui sont des détecteurs de traces nucléaires à l'état solide (SSNTD) ont été utilisés pour effectuer les mesures passives. Un détecteur CR-39, utilisé pour détecter les particules alpha émises par le radon et leurs descendants, est placé au fond de chaque chambre avec de l'argile collante. Les détecteurs ont été suspendus sur trois plans horizontaux dans la salle de test étudiée pendant 45 jours, qui ont été définis comme Z = 0,2, 1,0 et 1,8 m au-dessus du sol et positionnés à au moins 20 cm de toute surface murale. L'avion à une hauteur de 1,0 m au-dessus du sol était considéré comme la zone de respiration d'un adulte debout. Après exposition, tous les détecteurs ont été lavés à l'eau distillée et séchés avant d'être gravés chimiquement. Les conditions de gravure du CR-39 étaient les suivantes : une solution de NaOH 6,0 M à une température de 90 °C pendant 3 h. Les densités de traces ont été comptées à l'aide d'un microscope à transmission optique et d'un logiciel d'analyse d'images4. Les facteurs d'étalonnage ont également été déterminés à la suite d'essais d'exposition dans des chambres d'étalonnage du radon à l'Institut de radiochimie et de radioécologie de l'Université de Pannonie en Hongrie, comme décrit en détail par Adelikhah et al.3. Dans le cas des mesures actives, un moniteur AlphaGUARD PQ2000 PRO et un détecteur de radon-thoron RAD7 fabriqués par DURRIDGE, États-Unis, ont également été utilisés pour mesurer en continu la concentration de radon à différentes positions dans la pièce dans les scénarios porte ouverte et fermée. Le moniteur AlphaGUARD PQ2000 PRO dispose d'un spectromètre alpha utilisant une chambre d'ionisation. L'appareil a été utilisé en mode diffusion sur des cycles de 60 minutes pendant 24 h et la valeur moyenne dans le temps résultante a été supposée être la concentration de radon. Le détecteur RAD7 a été réglé sur un temps de cycle en mode 1 jour. De plus, les détecteurs actifs étaient équipés de capteurs intégrés pour mesurer la température, l'humidité relative et la pression atmosphérique.

Afin d'estimer le débit de dose efficace annuel de radon (DEA) provenant de l'inhalation de radon intérieur, l'équation suivante est utilisée1 :

où AED représente le débit de dose effectif annuel de radon dû à l'exposition au radon (mSv an−1), CRn désigne les concentrations moyennes de radon dans la pièce (Bq m−3), F représente le facteur d'équilibre intérieur pour le radon de 0,4 qui était fournies par le Comité scientifique des Nations Unies sur les effets des rayonnements ionisants (UNSCEAR) en 2000, et t désigne le nombre d'heures passées à l'intérieur annuellement (2000 h sur la base du temps passé par le personnel). De plus, K désigne le facteur de conversion de dose de radon recommandé par la publication 115 de la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) de 12 nSv par unité de concentration intégrée de radon (Bq hm−3)22.

La technique CFD basée sur la méthode des volumes finis a été utilisée pour prédire, visualiser et calculer la distribution et la concentration du radon à l'intérieur de la pièce ainsi que le mélange du flux intérieur de radon et d'air. De plus, en utilisant les concentrations de radon intérieures moyennes obtenues, le débit de dose efficace auquel le personnel est exposé a également été estimé.

En configurant les paramètres d'entrée dans le code CFD, les contours de la distribution du radon à différentes vitesses d'écoulement d'air dans les deux scénarios susmentionnés ont été simulés et sont illustrés dans les Fig. 3 et 4. D'après les résultats CFD, on peut voir qu'en raison de la vitesse du flux d'air à travers la porte et la fenêtre, la concentration de gaz radon s'est dirigée vers le centre de la pièce. Ainsi, le radon s'est accumulé plus près de la surface du coin gauche de la pièce lorsque l'ACH a été porté à 4,3 h−1. Les profils de ventilation ont révélé que la distribution intérieure du radon n'était pas uniforme. En supposant que ACH = 1 h−1 afin de se conformer aux exigences de ventilation des bâtiments, la concentration de radon au milieu de la pièce (dans les deux scénarios) était faible, de plus, la concentration moyenne de radon selon la simulation CFD s'est avérée égale à être de 70,21 et 66,25 (Bq m−3) pour les scénarios porte fermée et porte ouverte, respectivement.

Répartition de la concentration de radon dans le scénario porte fermée à différents taux de ventilation.

Répartition de la concentration de radon dans le scénario porte ouverte à différents taux de ventilation.

Basé sur les Fig. 3 et 4, les concentrations les plus élevées de radon ont été enregistrées près du sol et du mur supérieur autour de l'entrée qui sont réduites en augmentant le taux d'échange d'air, tandis que les valeurs les plus faibles ont été observées près de l'entrée et du mur avant. Ces résultats sont dus au profil de vitesse de l'air (m s-1) dans la pièce représentée sur les Fig. 5 et 6, qui a été simulé dans les deux scénarios à deux taux de renouvellement d'air différents de ACH = 1 et 4,3 h−1 pour se conformer aux exigences de ventilation et pour comparer avec d'autres études, respectivement. L'augmentation du débit génère une énergie cinétique turbulente plus élevée dans la région de gradient de vitesse plus élevée, augmentant ainsi l'intensité turbulente à certains endroits. La propagation d'intensités turbulentes plus élevées augmente avec l'augmentation des débits et affecte les schémas de mélange et la concentration à l'intérieur de la pièce. De plus, s'élever du sol améliore le mélange des flux et affecte simultanément la contribution de la source. Afin de comparer les résultats CFD avec d'autres études, Visnuprasad et al.23 et Zhuo et al.8 ont supposé ACH = 4,3 h−1 dans le scénario porte ouverte et les concentrations moyennes de radon intérieur dans leurs études étaient de 29 et 15 Bq m-3, alors que dans cette étude, il a été simulé à 20 Bq m−3, dont les résultats sont présentés dans le tableau 1. La concentration moyenne de radon intérieur rapportée par Rabi et al.12 était de 49 Bq m− 3 qui supposait que ACH = 1 h−1, dans le scénario porte fermée, alors que dans cette étude la valeur correspondante était d'environ 70 Bq m−3.

Distribution de la vitesse dans la salle d'essai modélisée dans les deux scénarios à 2 taux de ventilation différents.

Rationalise dans la salle de test modélisée dans les deux scénarios à 2 taux de ventilation différents.

Dans cette enquête, la concentration intérieure moyenne de radon selon les calculs CFD représente la concentration moyenne annuelle de radon. Enfin, selon les résultats de la simulation, la dose efficace annuelle correspondante de l'inhalation de radon lorsque ACH = 1 h−1 a été calculée à 0,68 et 0,64 mSv an−1 dans les scénarios porte fermée et porte ouverte, respectivement. Ces doses efficaces annuelles sont inférieures à la limite recommandée par la CIPR de 3 à 10 mSv an-124. Cependant, comme simulé et représenté sur les Fig. 2 et 3, on pourrait en déduire qu'en raison de la mauvaise ventilation et du profil de vitesse de l'air à certains endroits de la salle d'essai, par exemple près du sol dans l'entrée, le radon peut s'accumuler davantage, de sorte que le risque d'exposition auquel le personnel est soumis serait plus élevé. Par conséquent, à cet endroit, la dose correspondante reçue par le personnel à 1 m au-dessus du sol et lorsque ACH = 1 h−1 pourrait être d'environ 1,63 et 1,48 mSv an−1 dans les scénarios porte fermée et porte ouverte, respectivement, qui sont également inférieure à la plage recommandée par la CIPR de 3 à 10 mSv an-1.

Dans le tableau 2, les résultats du calcul analytique et de la simulation CFD sont comparés. En calculant la différence en pourcentage entre les résultats estimés selon ANSYS-Fluent et les calculs analytiques à chaque taux de ventilation, la différence maximale a été trouvée à 19 % lorsque ACH = 4,3 h−1 dans le scénario porte ouverte. Au taux de renouvellement d'air souhaité de 1 h-1, la différence s'est également avérée être d'environ 11 % et 5 % dans les scénarios porte ouverte et fermée, respectivement. Comme le montre le tableau 1, les différents taux de ventilation ont des effets distincts sur la concentration intérieure de radon dans la salle d'essai, qui est également illustrée à la Fig. en ce qui concerne la répartition de la concentration intérieure de radon. De plus, il est à noter que la concentration de radon à l'intérieur varie selon la taille de la pièce, l'exhalation de radon des matériaux de construction et le taux de renouvellement d'air.

Moyenne des concentrations intérieures de radon dans la pièce par rapport au taux de renouvellement d'air selon les sorties du modèle CFD.

Les facteurs qui affectent la concentration de radon dans la pièce comprennent les matériaux de construction, le taux de ventilation, l'effet du vent, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de la pièce ainsi que l'humidité de l'air intérieur. Concernant l'humidité de l'air intérieur, une corrélation négative est observée entre ce paramètre et le taux de ventilation25. Dans cette étude, différentes valeurs de l'humidité relative (30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % et 80 %) sont prises en compte dans le code CFD pour explorer l'influence de l'humidité relative sur la concentration intérieure en radon. La température et le taux d'échange d'air ont été fixés à 24 °C et 0,5 à 1 h−1, respectivement. En appliquant ces hypothèses et en exécutant le code, les résultats du modèle CFD ainsi que la relation entre l'humidité relative et les concentrations moyennes de radon intérieur (Bq m−3) dans la pièce ont été tracés dans les Fig. 8A, B. Cela a été simulé à deux taux de renouvellement d'air différents pour présenter l'effet de l'humidité relative sur la concentration intérieure de radon. En conséquence, on peut voir qu'en augmentant l'humidité relative de 30 à 50 %, la concentration moyenne de radon intérieur a été réduite d'environ 5 %, puis a commencé à augmenter en augmentant l'humidité relative. Cela indique donc clairement que l'humidité relative influence à la fois la concentration et la distribution du radon.

Effet de l'humidité relative (%) sur la concentration intérieure moyenne en radon (Bq m−3) dans le scénario porte ouverte à deux taux de ventilation différents selon la sortie du modèle CFD.

Les valeurs mesurées de la concentration en radon selon les méthodes actives et passives ont été comparées aux prédictions CFD aux mêmes points. Les comparaisons sont présentées dans les tableaux 3 et 4 dans les scénarios porte ouverte et porte fermée, respectivement. Ainsi, les concentrations moyennes intérieures de radon mesurées par les détecteurs AlphaGUARD et RAD7, par exemple, à une hauteur de 1,0 m au-dessus du sol dans le scénario porte ouverte (considérée comme la zone respiratoire pour un adulte debout) étaient de 77 Bqm−3 et 81 Bqm−3, respectivement, qui présentent un écart relatif d'environ 7 % et 2 % (Écart relatif = \((\left(\left|\mathrm{Measurement}-\mathrm{Prédiction CFD}\right|\right) \)/prédiction CFD). Concernant les mesures passives selon les détecteurs Raduet et NRPB, les concentrations moyennes de radon intérieur correspondantes ont été mesurées à 68 et 64 Bqm−3, respectivement avec des écarts relatifs correspondants d'environ 17 % et 23 %. dans le scénario porte fermée, l'écart relatif correspondant était plus élevé. De plus, l'écart relatif le plus élevé de 39 % a été mesuré par les détecteurs NRPB à partir de 20 cm au-dessus du sol dans le scénario porte fermée. En conséquence, on peut observer que les résultats expérimentaux et les simulations ont en quelque sorte donné une tendance similaire, c'est-à-dire que la concentration de radon diminuait à mesure que la distance au sol augmentait. De plus, sur la base des écarts, les concentrations moyennes de radon à l'intérieur prédites à partir du code CFD se sont avérées plus proches des valeurs expérimentales à l'exception du point A dans les deux scénarios en raison de la mauvaise circulation de l'air entraînant l'accumulation de radon à ce point. . De même, les résultats des simulations CFD sont en bon accord avec les mesures expérimentales.

Le taux de ventilation standard minimum des habitations est important non seulement pour assurer la santé et le confort des habitants mais aussi pour éliminer et diluer les polluants dominants. Récemment, la méthode CFD a attiré l'attention sur la prédiction et la visualisation du schéma de distribution des concentrations de radon et de thoron dans les zones confinées. Le but de cette enquête est d'estimer la concentration de radon à différents taux de ventilation pour une pièce typique en utilisant la technique CFD avant de comparer et de valider les résultats CFD avec des calculs analytiques et des mesures expérimentales. Cette étude a appliqué à la fois un modèle expérimental et CFD (utilisant le logiciel CFD disponible dans le commerce ANSYS Fluent 2020 R1 basé sur la méthode FVM) pour étudier la dispersion du radon sous une ventilation intérieure typique (ventilation naturelle) ainsi que des scénarios de portes ouvertes et fermées. Les calculs ont été validés en comparant les résultats CFD avec les mesures actives prises par les détecteurs de radon AlphaGUARD et RAD7 ainsi que les mesures passives enregistrées par les détecteurs NRPB et RADUET basés sur CR-39. Ces résultats seraient utiles pour les organisations et les autorités afin d'avoir une image du point critique de concentration intérieure élevée en radon qui devrait être prise en compte pour l'évaluation des doses.

En supposant un taux de renouvellement d'air de 1 h−1 pour se conformer aux exigences de ventilation, les concentrations de radon au milieu de la pièce (dans les deux scénarios) étaient faibles et les concentrations moyennes de radon issues des simulations CFD étaient de 70,21 et 66,25 Bq m−3 dans les scénarios porte fermée et porte ouverte, respectivement. La différence entre les résultats des calculs analytiques et les simulations CFD s'est avérée être d'environ 11 % et 5 % dans les scénarios porte ouverte et porte fermée, respectivement. Les concentrations de radon mesurées enregistrées par les mesures actives étaient également en bon accord avec les résultats CFD, par exemple, avec un écart relatif d'environ 7 % et 2 % selon les moniteurs de radon AlphaGUARD et RAD7 à une hauteur de 1,0 m au-dessus du sol dans le scénario de la porte ouverte. De plus, l'écart relatif maximal de 39 % a été enregistré par les détecteurs NRPB à une hauteur de 20 cm au-dessus du sol dans le scénario porte fermée. Les concentrations de radon les plus élevées ont été détectées à proximité du sol et du mur supérieur autour de l'entrée qui a été réduite en augmentant le taux d'échange d'air, tandis que les valeurs les plus faibles ont été observées à proximité de l'entrée et du mur avant. Sur la base de ces résultats, on peut conclure que ces tendances sont dues au profil de vitesse de l'air. Les résultats de la simulation ont révélé que la distribution de la vitesse de l'air à l'intérieur de la pièce joue un rôle majeur en ce qui concerne la distribution de la concentration de radon à l'intérieur. Les résultats démontrent également que la modélisation CFD est capable de prédire la distribution intérieure du gaz radon. Enfin, concernant l'atténuation du radon, les meilleurs moyens sont26,27,28 : (1) comme le montre la simulation, augmenter le débit d'air dans la zone confinée en ouvrant les fenêtres et en utilisant des ventilateurs et des évents pour faire circuler l'air ; (2) Sceller les fissures dans les sols et les murs avec du plâtre, du mastic ou d'autres matériaux conçus à cet effet.

Les jeux de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Financement en libre accès fourni par l'Université de Pannonie. Ce travail a été mis en œuvre par le projet TKP2021-NVA-10 avec le soutien du ministère hongrois de la Culture et de l'Innovation du Fonds national de recherche, de développement et d'innovation, financé dans le cadre du programme de financement du programme d'excellence thématique 2021.

Institut de radiochimie et de radioécologie, Université de Pannonie, Veszprém, 8200, Hongrie

Mohammad Adelikhah et Tibor Kovács

Département d'ingénierie, GC, Université Shahid Beheshti, PO Box: 1983963113, Téhéran, Iran

Arrêt Morteza

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Conceptualisation, MA; méthodologie, MA et MI; logiciel, MI et MA; validation, MA, MI; et KT; analyse formelle, MA; enquête, MA; ressources, TC ; conservation des données, MA et KT ; rédaction—préparation du projet original, MA ; rédaction—révision et édition, MA, MI et KT; visualisation, MA et MI ; supervision, TC ; administration de projet, TC ; acquisition de financement, KT

Correspondance à Tibor Kovács.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adelikhah, M., Imani, M. & Kovács, T. Mesures et étude de la dynamique des fluides computationnelle de la distribution intérieure du radon dans une pièce typique ventilée naturellement. Sci Rep 13, 2064 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23642-7

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Reçu : 25 avril 2022

Accepté : 03 novembre 2022

Publié: 04 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23642-7

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