CN106126855A - 一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法，是一种用在裂变反应堆设计中，用于检查已经构建完成或者正在构建的反应堆堆芯设计正确性的可视化方法，本方法基于裂变反应堆的层次化特征，通过解析用户输入模型，智能构建关联层次结构的分组，基于分组生成相应的渲染单元构建总体的渲染树结构，完成对用户感兴趣区域的快速可视化，大大提升了可视化速度，实现了精细堆芯模型建模过程中的实时可视化，从而显著提升了裂变堆芯建模效率。

Description

一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法

技术领域

本发明涉及裂变反应堆模型快速可视化的技术领域，具体涉及一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化系统。

背景技术

蒙特卡罗计算的关键部分是对几何的处理上，几何处理的关键是确保计算模型的几何正确性，为此需要在蒙卡几何建模过程中以及蒙卡计算前确认过程中以及完成建模的蒙卡计算模型的正确性。模型可视化是最直观，同时也是效率最高的一种检查方式。特别的，为了保证建模效率，在建模过程中的检查需求交互式的实时观察。

随着蒙特卡罗计算在裂变堆芯设计中使用愈加广泛，用户对模型的精细程度的要求越来越高。但由于程序计算机内存使用等限制，现有的蒙特卡罗可视化软件系统都无法一次性渲染规模过大的精细裂变堆模型，或者即使能够完成大规模精细裂变堆模型的渲染，也需要成本非常高的专业图形工作站的支持，并且得到完整模型的速度也非常缓慢，从而使得建模过程中蒙卡几何模型无法可视化或成本太高，或显示交互速度过慢难以满足实际应用。

本发明针对于此需求，提出了一种新的分段式可视化方法，并开发出一种能用于裂变堆核设计的大规模裂变堆芯可视化软件系统。本系统能够将大规模裂变堆芯模型智能分解成不同的段来进行管理，并通过用户的交互操作，判断出需要进行处理的分段和继续隐藏的分段。从而极大地提高操作的交互流畅性，达到大规模堆芯的实时可视化效果，让用户在核设计的过程中基于最普通的个人电脑即可以进行实时三维几何观察，极大提升了用户建模效率，缩短整体设计的周期，为新型反应堆的设计节省大量人力成本和硬件成本。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术不足，提供一种更快速高效的针对于大规模裂变反应堆模型的可视化方法，此发明能流畅的对高达几千万实体模型的裂变反应堆进行快速的可视化，让用户在设计过程中进行实时几何检查。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法，该方法可根据裂变堆芯模型特点和其装配关系构建一种带有自动归并功能的层级结构树，简称优化层级结构树，基于此，能够生成对应的渲染单元树，从而使得每次操作只需要处理局部渲染单元，提高系统可视化效率，其主要包含输入解析步骤，层级结构树自动归并步骤和渲染单元树构建步骤；

输入解析步骤用于解析用户输入，并构建初始层级结构树，导入到层级结构树自动归并步骤，层级结构树自动归并步骤负责自动归并初始层级结构树，得到优化层级结构树，渲染单元树构建步骤是基于优化层级结构树构建的渲染单元树形结构，程序可以通过参数启动和绕开相应的渲染单元，从而形成多尺度的可视化过程。

其中层级结构树优化步骤具体实现过程为：

步骤(1)、得到初始层级结构树，如果初始层级结构树中的几何表达通过用户参数输入获得，那么无需要经过几何归并直接到步骤(5)，否则如果是从物理计算模型中和三维CAD模型中解析获取则会包含大量半空间面，进行步骤(2)；

步骤(2)、从初始层级结构每个叶子节点开始一直到达根节点构建多条几何归并路径，并自动识别路径重叠部分和相同部分，从而得到最终归并路径；

步骤(3)、遍历所有最终归并路径，得到下层的节点中包含的几何，并去上层节点中寻找与下层节点中包含的几何平行、垂直、成一定夹角的几何；

步骤(4)、按照半空间方向进行判断，如果半空间方向指向空间位置重合则组合在一起，如果无法找到则继续向更上层查找，直到完成一个完整体模型构建，并保存；

步骤(5)、完成所有节点的几何归并后，开始简化树结构中节点的关系，简化关系的原则为，按照阵列填充的关系进行分层，对部件内部的填充关系进行简化；

步骤(6)、完成所有关系简化后将得到优化层级结构树，基于此树以生成渲染单元树结构。

其中渲染单元树构建步骤具体实现过程为：

步骤(1)、基于优化层级结构树的层数为渲染根节点构建相应分支；分支数等于层数；

步骤(2)、在每个分支中构建独立的渲染单元，基于优化层级结构树，为相应部件在本层和下层中构建对应的渲染单元；

步骤(3)、在渲染单元树中分支内部，为叶子节点构建渲染面片，基于优化层级结构树的阵列填充关系，上层节点则引用叶子节点的面片并组合成上层节点的渲染单元，直到完成所有分支和各部件的渲染单元的构建。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、避免了一次渲染过多的面片，尤其是在处理大规模裂变堆模型的过程中，能够显然得到更流畅的交互速度；

(2)、实现了不同部件的单独提取操作，更加方便的支持了三维可视化交互式迭代设计过程。

附图说明

图1为系统主流程图；

图2为初始层级结构树示意图；

图3为优化层级结构树示意图；

图4为多尺度渲染示意图；

图5为堆芯级模型可视化效果；

图6为组件级模型可视化；

图7为元件级模型可视化。

具体实施方式

本发明能够快速可视化大规模的裂变堆模型，在用户将三维CAD模型或者蒙特卡罗计算模型导入后，将模型进行智能分组，并按用户的需求调取部分模型进行可视化，同时能选择不同的可视化精细程序，其实施的具体方式如下：

第一步，通过软件界面导入每个部件的CAD的模型或者蒙特卡罗计算模型；

第二步，构建层级结构树，如果导入的是蒙特卡罗物理计算模型，可以直接从其中解析得到模型直接的装配关系和填充关系，并且能够得到半空间面的参数和列表，如果是MCNP程序的计算模型，相同部件的模型指定了相同的universe号，如图1的流程图所示，通过多蒙卡语义适配器，本系统能够识别目前主流蒙卡程序，包含MCNP，FLUKA，Geant4和SuperMC；

第三步，如果导入是CAD模型，则需要通过GUI界面指定每个部件之间的装配关系，再通过成熟的BREP到CSG模型的转换算法，将所有的CAD模型转换成半空间面并结合装配关系构建初始的层级结构树；

第四步，在得到初始层级结构树后如图2所示，可以得到5条归并路径，子区域划分的几何为显示的划分，不需要进行几何归并，于是路径分别为：

1)元件部件1-元件类型1-元件排布区域1-组件类型1-堆芯中心燃料区域-反应堆堆芯；

2)元件部件2-元件类型1-元件排布区域1-组件类型1-堆芯中心燃料区域-反应堆堆芯；

3)元件部件3-元件类型1-元件排布区域1-组件类型1-堆芯中心燃料区域-反应堆堆芯；

4)元件类型2-元件排布区域-组件类型2-堆芯中心燃料区域-反应堆堆芯；

5)元件类型3-元件排布区域-组件类型3-堆芯中心燃料区域-反应堆堆芯；

第五步，从图2可以看出，5条归并路径中，存在大量的重复区域，合并重复区域后就会得到最终的归并路径；

第六步，简化初始的层级结构树，只保留有阵列填充关系，消除部件内部填充和部件之间其余装配关系从而得到优化层级结构树如图3所示；

第七步，按照最优层级结构树中的层级为渲染单元树划分分支，在本例中有4个分支，分别对应优化层级结构树的每层；

第八步，为每个部件在各个分支中构建渲染单元，每个上层的部件都需要在下层中构建相应的渲染单元，例如燃料组件在第二层中，首先在第二层中构建其渲染单元节点，将其仅在第二层中的实体几何转换成面片，并保存其中，除此之外还需要在所有下级层次中为其构建渲染单元节点，但是不放入渲染面片，例如在第三层中，而是引用其子部件节点的面片，并组合程其渲染面片，而渲染面片通过面片化在优化层级结构树中保存的实体模型得到；

第九步，通过得到的渲染单元树，用户可以选择不同层次或者不同的部件进行渲染，避免了一次性处理所有面片带来的效率过低的问题；

第十步，通过图4可以看到，整个堆芯已经进行多层的划分，可以满足不同尺度的渲染，在渲染的过程中程序可以非常快速的给出第一层分支中的模型可视化结果，如果用户需要观察某个组件，则继续给出单个组件第二层分支中的可视化结果，如果用户需要观察燃料棒的结构，则继续细化单个组件内部的燃料棒，给出第三层分支中的结果，这样保证每次操作程序需要处理的面片都是非常有限的，并且在用户在观察的过程中，更精细的底层渲染单元也同步构建，并且其渲染面片可以通过阵列填充的摆放关系进行重复使用，节省大量的时间。如果用户需要观察非常精细的局部细节，则程序可以自动关闭除指定部件之外其余部件的渲染分段或者仅可视化其高层级的不存在太多面片的渲染分段；

第十一步，实现裂变堆模型的多尺度可视化操作，图5为第一层的裂变堆堆芯级模型三维可视化视图，可以看出其中的几何部件都进行了大量的均匀化处理，图6为第二层的裂变堆组件级模型三维可视化视图，可以看出裂变堆内部的组件结构已经进行了构建，图7为第三层的裂变堆元件级模型二维可视化视图(因为如果采用三维线框图内部细节太多，无法观察)，可以看出其中对组件进行了进一步的细化，可视化出了更多的细节。

Claims (3)

1.一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法，其特征在于：该方法根据裂变堆芯模型特点和其装配关系构建一种带有自动归并功能的层级结构树，简称优化层级结构树，基于此，能够生成对应的渲染单元树，从而使得每次操作只需要处理渲染单元树中局部渲染单元，提高系统可视化效率，主要包含输入解析步骤，层级结构树自动归并步骤，和渲染单元树构建步骤；

输入解析步骤用于解析用户输入，并构建初始层级结构树，导入到层级结构树自动归并步骤，层级结构树自动归并步骤负责自动归并初始层级结构树，得到优化层级结构树，渲染单元树构建步骤是基于优化层级结构树构建的渲染单元树结构，程序可以通过参数决定是否启动和绕开渲染单元树中相应的渲染单元，从而形成多尺度的可视化过程。

2.根据权利要求1所述一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法，其特征在于：所述的层级结构树自动归并步骤，具体实现过程为：

步骤(1)、得到初始层级结构树，如果初始层级结构树中的几何表达通过用户参数输入获得，那么无需要经过几何归并直接到步骤(5)，否则如果是从物理计算模型中和三维CAD模型中解析获取则会包含大量半空间面，进行步骤(2)；

步骤(2)、从初始层级结构每个叶子节点开始一直到达根节点构建多条几何归并路径，并自动识别路径重叠部分和相同部分，从而得到最终归并路径；

步骤(3)、遍历所有最终归并路径，得到下层的节点中包含的几何，并去上层节点中寻找与下层节点中包含的几何平行、垂直、成一定夹角的几何；

步骤(4)、按照半空间方向进行判断，如果半空间方向指向空间位置重合则组合在一起，如果无法找到则继续向更上层查找，直到完成一个完整体模型构建，并保存；

步骤(5)、完成所有节点的几何归并后，开始简化树结构中节点的关系，简化关系的原则为，按照阵列填充的关系进行分层，对部件内部的填充关系进行简化；

步骤(6)、完成所有关系简化后将得到优化层级结构树，基于此树以生成渲染单元树结构。

3.根据权利要求1所述一种基于自动归并层级结构树的多尺度裂变堆芯可视化方法，其特征在于：所述的渲染单元树构建步骤，具体实现过程为：

步骤(1)、基于优化层级结构树的层数为渲染根节点构建相应分支；分支数等于层数；

步骤(2)、在每个分支中构建独立的渲染单元，基于优化层级结构树，为相应部件在本层和下层中构建对应的渲染单元；

步骤(3)、在渲染单元树中分支内部，为叶子节点构建渲染面片，基于优化层级结构树的阵列填充关系，上层节点则引用叶子节点的面片并组合成上层节点的渲染单元，直到完成所有分支和各部件的渲染单元的构建。