CN106528916A - 一种应用于聚变反应堆核分析的自适应子空间迭代分割的协同系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于聚变反应堆蒙特卡罗计算的自适应子空间迭代分割的协同系统，根据聚变反应堆复杂核装置的特点，由层次几何建模模块与核心转换模块组成；层次几何建模模块发展应用了一种基于自适应子空间迭代分割的建模方法，能够自动识别输入原始模型结构，将整个模型空间划分为带层次化子空间结构的层次化模型，实现了层次子空间之间的协同建模；核心转换模块实现了层次结构几何模型到蒙特卡罗计算模型的自动转换，实现了基于层次结构几何模型的蒙特卡罗计算分析。

Description

一种应用于聚变反应堆核分析的自适应子空间迭代分割的协 同系统

技术领域

本发明涉及一种应用于聚变反应堆核分析的自适应子空间迭代分割的协同系统，应用于基于粒子输运的聚变反应堆核分析的建模过程的多人协同建模中。

背景技术

高保真数值模拟在核系统设计优化与安全评估中起到越来越重要的作用，例如：先进反应堆的设计、现有反应堆延寿、减少核废料与提高燃料利用率、全过程安全评估等，随着社会对核能安全的关注及新型核能系统的发展，高保真数值模拟的需求的迫切性日益突出。

对于核系统的高保真模拟，相比于确定论方法，蒙特卡罗方法(蒙卡)具有处理复杂问题、计算精度高等显著优势。但是一般核能系统，特别是热核聚变反应堆这样的装置，其结构极其复杂，有上万个部件系统，百米级装置内部结构需要精细到毫米级的核装置，其复杂结构无法通过手工方式创建，国际主流的方式是借助成熟的CAD工具，通过自动建模工具实现计算模型的自动生成。但是即使借助CAD建模方法，仍需要投入大量的时间进行CAD端中子学计算建模。例如在国际热核聚变实验装置中，含有300多块屏蔽包层，每个包层需要投入近1人月的人力才能创建出满足中子学精度要求的模型，整个装置需要近400余人月的人力才能完成，这在快速更新迭代的工程设计中是极难接受的，因此必须要进行多人协同分空间区域的建模。

目前国际上蒙特卡罗输运计算建模的协同建模普遍是在CAD模型转换得到的文本计算模型的基础上进行空间划分和子模型组合，这种方法的缺陷是不直观，且容易在建模过程中导入新的错误。

同时，传统CAD模型无基于空间划分的几何分解建模方案，直接在CAD工具中进行协同建模时，不同区域间容易引入几何干涉的错误，导致建模失败。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种应用于聚变反应堆核分析的自适应子空间迭代分割的协同系统，针对聚变反应堆模块层次化的特点，能够自动生成含层次结构的几何模型，可实现基于该层次几何模型的协同建模，避免以往协同建模不直观、易出错的问题，以实现高效的基于蒙特卡罗计算的核分析。

本发明技术解决方案要：一种应用于聚变反应堆蒙特卡罗计算的自适应子空间迭代分割的协同系统，包括：层次几何建模模块和核心转换模块；

层次几何建模模块，实现CAD几何导入、自适应子空间迭代分割过程、模型协同处理过程、物理参数建模过程以及含层次关系模型的保存过程：其中自适应子空间迭代分割过程包括了模型的子空间几何密度计算和基于几何密度的子空间自动分解两个方法，根据导入的CAD几何，计算模型的子空间几何分布密度，根据密度判断需要分割的子空间并通过基于几何密度的区域自动分解功能将CAD几何空间层次划分为多个子空间，使每个子空间几何密度小于预定值，形成限制底层子空间几何密度的层次几何模型；模型协同处理过程使用限制底层子空间几何密度的层次几何模型进行合理的子空间建模工作分配，实现子空间之间的高效协同几何建模，形成补全几何信息的层次几何模型；在物理参数建模过程中读取补全了几何信息的层次几何模型中的几何体，输入核分析辐射源的源强、粒子类型和能谱分布为几何体赋予蒙特卡罗计算所需源参数，输入实体材料的核素类型、核素比例和密度为几何体赋予蒙特卡罗计算所需材料信息，输入需要统计蒙特卡罗计算结果的区域的尺寸、网格划分情况和统计值类型创建蒙特卡罗计算所需计数参数，将补全了几何信息的层次几何模型与源参数、材料信息、计数参数导出为完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型；

核心转换模块，实现完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型到蒙特卡罗计算模型的转换功能；输入完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型，读取其中的几何体间层次结构关系、几何体、几何体中包含的材料、源和计数参数信息，转写这些信息为蒙特卡罗计算程序的格式，输出蒙特卡罗计算所需的输入文件。

所述自适应子空间迭代分割过程具体实现如下：

(1)输入CAD几何，计算包含模型所有几何体的长方体空间a，初始化待分割子空间集合A＝{a}，并添加a到总体几何集合S中；

(2)如果A已空，则转(5)；否则从A中任意取出子空间a_i，计算子空间a_i中几何密度，如果几何密度小于等于预定值，转步骤(3)，如果几何密度大于阈值，转步骤(4)；

(3)设a_i中几何体集合为S_i＝{s_i1,s_i2,…s_in}，添加这些几何与子空间a_i之间的层次关系集合R＝{(s_ij,a_i)|s_ij∈S_i}到总体关系集合R中，转步骤(2)；

(4)将a_i分割为若干子空间a_i1,a_i2,…a_in，设分割生成的子空间集合A_i＝{a_i1,a_i2,…a_in}，将这些子空间并添加到A中，并将区域几何体添加到总体几何集合S中，添加关系集合R＝{(a_ij,a_i)|a_ij∈A_i}到R中，转步骤(2)；

(5)结束自适应子空间迭代分割过程，每个分割得到的子空间中几何密度即小于预定值。

所述层次结构几何模型描述如下：

整体几何模型由几何实体集合S＝{s₁,s₂,…s_n}以及几何实体间的二元包含关系集合组成；

关系(s_i,s_j)以及实体s_i、s_j表示了在s_j中s_i真实的几何形状，该关系表示区域s_i∩s_j为s_i所占据，s_j-s_i仍由s_j以及其他包含于s_j的几何体占据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过对复杂聚变反应堆模型的层次划分，实现了聚变反应堆模型的自动划分与协同处理，解决了传统手工划分聚变反应堆模型后，基于蒙特卡罗计算输入文件进行协同处理不直观、易出错的问题；

(2)解决了传统CAD几何建模工具无层次空间划分功能，导致CAD协同建模引入干涉，导致建模失败的问题；

(3)可直接由含层次结构模型转换为含层次结构的蒙特卡罗计算输入文件，可提高蒙特卡罗计算效率。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为一种应用于聚变反应堆核分析的自适应子空间迭代分割流程图；

图3为一个基于层次建模方法得到的CAD几何模型；

图4为图2所示几何模型存储于文件中的格式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括层次几何建模模块和核心转换模块。层次几何建模模块实现了自适应子空间迭代分割的协同处理方法、基于层次结构的几何协同建模和物理信息建模；核心转换模块实现了层次结构几何模型的读入并自动转换为蒙特卡罗计算模型。

如图2所示，本发明中自适应子空间迭代分割的协同处理方法，包括如下步骤：

(1)建立包含整个建模的区域几何a₁，将a₁加入当前区域集合S中，若已有粗略几何模型，可以自动生成覆盖粗略模型的长方体作为a₁，如果没有初始粗略几何模型，通过建模软件界面输入位置与长宽高作为参数生成长方体a₁，同时支持其他形状的初始几何体，如圆柱体(需输入底面圆心、半径和高度)、球体(需输入球心坐标和半径)，此时建模区域集合A＝{a₁}，同时模型几何体集合S＝{a₁}，同时初始化关系集合R为空集，即

(2)从A中取出一个区域a，集合A＝A-{a}，之后基于a执行如下操作：

a.如果a内含有的几何体复杂度达到预期，则生成包含a几何体区域的初始模型，并进行a内几何的建模，几何体复杂度由其中几何体的总面数量决定，假设a内建立的几何体集合为{s₁,s₂,...,s_m}，则添加几何体至总体几何集合S中，即S＝S∪{s₁,s₂,...,s_m}，同时区域a内的新建几何体与a形成了新的二元层次关系集合{(s₁,a),(s₂,a),...,(s_m,a)}，添加这些关系到整体关系集合R中，即R＝R∪{(s₁,a),(s₂,a),...,(s_m,a)}；

b.如果未达到预期，依照分割面与欲建立的几何体相交数最少的方向新建分割面，递归二分a至满足复杂度阈值的若凡子空间{a′₁,a′₂,...,a′_m}，并将分解得到的子空间加入S，使S＝S+{a′₁,a′₂,...,a′_m}，同时形成了新的关系集合{(a′₁,a),(a′₂,a),...,(a′_m,a)}并加入整体关系集合R中，即R＝R∪{(a′₁,a),(a′₂,a),...,(a′_m,a)}；

c.如果A为空，则转到(3；

(3)输出包含几何模型和关系集合的层次结构CAD几何模型，层次模型的输出按图3所示的顺序，首先输出所有S中的几何体的边界表示法所表示的形状信息，然后输出关系集合中所有关系二元组，二元组中的几何体引用使用几何保存的顺序序号。

如图3所示，本发明中含有层次结构几何模型结构如下，一个几何示例其文件格式如图4所示：

(1)基于标准CAD几何模型格式存储的各几何体，包括代表区域的几何体以及代表实际几何栅元的几何体；

(2)各几何体间的包含关系。

本发明中基于层次结构几何协同建模实现了层次模型读写、合并与分解功能，这些功能实现流程分别如下：

(1)层次结构几何的读取过程如下：

a.根据几何体的包含关系，建立有向图，该有向图应该是无归纳结构的树形有向图，且仅有一个根节点，从根节点开始执行宽度优先遍历，依次使用父节点裁剪子节点的不属于父节点几何体的部分；

b.对属于同一个几何体的子几何体，检查几何体间是否干涉，对于干涉的几何体，设置标志，供建模软件使用者参考并决定如何消除干涉。

(2)层次结构几何的写出过程如下：

a.写出所有几何体到几何文件中；

b.写出所有几何包含关系到几何文件中。

(3)层次结构几何合并即将一个层次几何导入到目标层次的一个几何节点，该操作的实现过程如下：

a.假设导入的目标几何为A，目标几何体为s_a，被导入的层次几何为B，找到B中所有不含父节点的几何体(即B中的根节点几何体)S_root＝{s_r1,s_r2,...,s_rm}，将R_new＝{(s_a,s_ri)|s_ri∈S_root}并入A中的层次结构R中。

b.对属于同一个几何体s_a的所有子几何体，检查几何体间是否干涉，对于干涉的几何体，设置标志，供建模软件使用者参考并决定如何消除干涉。

(4)层次结构几何分解即从层次几何的节点几何s_a分解出其下的几何部件，其实现过程如下：

a.从s_a向下遍历其几何层次树，得到所有几何体集合S_sub＝{s_s1,s_s2,...,s_sm}及这些几何体间的包含关系的集合；

b.从所得到的几何体间包含关系集合中，删除几何体与S_sub＝{s_s1,s_s2,...,s_sm}之外的几何间的包含关系；

c.写出S_sub＝{s_s1,s_s2,...,s_sm}中的几何体以及经过b)步骤处理的包含关系几何，所写出的文件即分解出的部分层次几何。

提供以上实施方式仅仅为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于聚变反应堆蒙特卡罗计算的自适应子空间迭代分割的协同系统，其特征在于：包括层次几何建模模块和核心转换模块；

层次几何建模模块，实现CAD几何导入、自适应子空间迭代分割过程、模型协同处理过程、物理参数建模过程以及含层次关系模型的保存过程：其中自适应子空间迭代分割过程包括了模型的子空间几何密度计算和基于几何密度的子空间自动分解两个方法，根据导入的CAD几何，计算模型的子空间几何分布密度，根据密度判断需要分割的子空间并通过基于几何密度的区域自动分解功能将CAD几何空间层次划分为多个子空间，使每个子空间几何密度小于预定值，形成限制底层子空间几何密度的层次几何模型；模型协同处理过程使用限制底层子空间几何密度的层次几何模型进行合理的子空间建模工作分配，实现子空间之间的高效协同几何建模，形成补全几何信息的层次几何模型；在物理参数建模过程中读取补全了几何信息的层次几何模型中的几何体，输入核分析辐射源的源强、粒子类型和能谱分布为几何体赋予蒙特卡罗计算所需源参数，输入实体材料的核素类型、核素比例和密度为几何体赋予蒙特卡罗计算所需材料信息，输入需要统计蒙特卡罗计算结果的区域的尺寸、网格划分情况和统计值类型创建蒙特卡罗计算所需计数参数，将补全了几何信息的层次几何模型与源参数、材料信息、计数参数导出为完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型；

核心转换模块，实现完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型到蒙特卡罗计算模型的转换功能；输入完整的含层次关系的蒙特卡罗几何模型，读取其中的几何体间层次结构关系、几何体、几何体中包含的材料、源和计数参数信息，转写这些信息为蒙特卡罗计算程序的格式，输出蒙特卡罗计算所需的输入文件。

2.根据权利要求1所述一种应用于聚变反应堆蒙特卡罗计算的自适应子空间迭代分割的协同系统，其特征在于：所述自适应子空间迭代分割过程具体实现如下：

(1)输入CAD几何，计算包含模型所有几何体的长方体空间a，初始化待分割子空间集合A＝{a}，并添加a到总体几何集合S中；

(2)如果A已空，则转(5)；否则从A中任意取出子空间a_i，计算子空间a_i中几何密度，如果几何密度小于等于预定值，转步骤(3)，如果几何密度大于阈值，转步骤(4)；

(3)设a_i中几何体集合为S_i＝{s_i1,s_i2,...s_in}，添加这些几何与子空间a_i之间的层次关系集合R＝{(s_ij,a_i)|s_ij∈S_i}到总体关系集合R中，转步骤(2)；

(4)将a_i分割为若干子空间a_i1,a_i2,...a_in，设分割生成的子空间集合A_i＝{a_i1,a_i2,...a_in}，将这些子空间并添加到A中，并将区域几何体添加到总体几何集合S中，添加关系集合R＝{(a_ij,a_i)|a_ij∈A_i}到R中，转步骤(2)；

(5)结束自适应子空间迭代分割过程，每个分割得到的子空间中几何密度即小于预定值。

3.根据权利要求1所述一种应用于聚变反应堆蒙特卡罗计算的自适应子空间迭代分割的协同系统，其特征在于：所述层次结构几何模型描述如下：

整体几何模型由几何实体集合S＝{s₁,s₂,...s_n}以及几何实体间的二元包含关系集合组成；

关系(s_i,s_j)以及实体s_i、s_j表示了在s_j中s_i真实的几何形状，该关系表示区域s_i∩s_j为s_i所占据，s_j-s_i仍由s_j以及其他包含于s_j的几何体占据。