CN108897907A - 一种用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法。(1)确定堆芯各空间位置的代表性分析区域；(2)确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源；(3)设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件；(4)利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算。本发明提供了一种降低反应堆堆芯热工水力CFD计算所需计算资源与时间的方法，实现堆芯热工水力状态的分布并行化计算分析，同时利用不同的计算资源，分别对堆芯不同空间位置的重要区域进行CFD计算分析，提升堆芯状态预测的效率。

Description

一种用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法

技术领域

本发明涉及的是一种核电站仿真方法，具体地说是一种用于核电站反应堆堆芯精细化热工水力状态的分布并行化计算分析的方法。

背景技术

核电站的安全性与经济性受核反应堆堆芯热工水力状态预测技术水平的影响。精细化堆芯热工水力计算流体力学(CFD)程序的计算能够在细致空间尺度上模拟预测堆芯的释热、传热与流动。这种仿真有利于缩小安全裕量，支持电站功率的提升及燃料周期的延长，保证电站的安全性，提升电站的经济性。

然而堆芯精细化热工水力CFD计算分析的仿真网格数量巨大，计算资源占用量大，计算时间长。为促进堆芯热工水力CFD计算分析的工程化应用，有必要开发降低堆芯CFD计算所需资源与时间的计算技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提升堆芯状态预测效率的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)确定堆芯各空间位置的代表性分析区域；

(2)确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源；

(3)设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件；

(4)利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算。

本发明还可以包括：

1.所述确定堆芯各空间位置的代表性分析区域具体包括：

1-1)确定具有关键物理特性的堆芯代表性分析区域

根据堆芯性能分析中所用物理场程序的计算结果，筛选各物理特性关键区域，所述关键物理特性区域包括堆芯热工水力分析所发现的最大温度区域以及堆芯中子物理分析所发现的最高功率区域；

1-2)确定具有空间代表性的堆芯代表性分析区域

根据堆芯性能参数在空间上的三维分布差异性，选择堆芯三维空间中的不同空间区域进行监测，被选择的区域也是一种代表性分析区域包括堆芯边界区域与堆芯中心区域；

1-3)确定堆芯代表性分析区域的范围

确定各代表性分析区域范围，确保各区域范围能够反映堆芯栅元级别热工水力过程，且代表性分析区域中的物理状态越重要，所设计的代表性分析区域横向范围越大。

2.所述确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源具体包括：首先判断是否存在各代表性分析区域计算资源分配的经验数据库，若存在，根据经验数据库进行估计，并进行计算资源的分配；若不存在经验数据库，通过试算法进行计算资源的配置。

3.所述试算法具体包括：

2-1)确定典型的测试工况，并为堆芯各代表性分析区域设置边界条件；

2-2)计算堆芯各代表性分析区域范围的比例；

2-3)计算堆芯各代表性分析区域计算分析中的网格量比例；

2-4)依据堆芯代表性分析区域范围的比例、堆芯代表性分析区域计算分析中的网格量比例，为堆芯各代表性分析区域配置相应比例的计算资源；

2-5)分别开展不同堆芯代表性分析区域的数值计算，记录各堆芯代表性分析区域的计算时间，综合分析所有代表性分析区域的计算时间，调整各代表性分析区域所配置的计算资源，再次开展各代表性分析区域的数值计算，直到各代表性分析区域的计算时间相近；

2-6)形成各代表性分析区域计算资源的分配经验，将量化经验存储于代表性分析区域计算资源分配的经验数据库中。

4.所述设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件具体包括：

3-1)确定堆芯热工水力计算的热源边界条件；

3-2)确定堆芯热工水力计算的流动边界条件；

5.利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算具体包括：

4-1)各堆芯代表性分析区域，以各自的边界条件，利用各自的计算资源，分别开展计算；

4-2)记录不同工况下，各堆芯代表性分析区域的计算时间，形成关于各堆芯代表性分析区域在不同工况下计算效率的经验数据库；

4-3)对各堆芯代表性分析区域的计算数据进行处理，在各自计算资源上分别进行处理后统一汇总；或者是将各堆芯代表性分析区域的计算数据传递到同一计算资源中，统一进行数据后处理与数据分析，最终获得能够考虑堆芯三维空间中不同位置热工水力状态的数据信息。

本发明的特点主要体现在：

1、堆芯各空间位置的代表性分析区域的确定

反应堆堆芯中存在着多种物理过程，如堆芯热工水力、堆芯中子物理、水化学、结构力学等物理过程。

所述“堆芯代表性分析区域”是指堆芯中某一物理场中的物理特性需要关注的区域，可通过各物理场理论分析、实验分析与程序的计算分析探明。在堆芯热工水力状态的分析中，流域最高温度区域可作为代表性分析区域；当考虑堆芯中子物理释热时，堆芯中子物理分析中的最大功率区也是堆芯的代表性分析区域；为考虑堆芯热工水力分布的三维差异性，堆芯三维空间中所选择的监测区域(堆芯三维空间中的特殊区域，如堆芯边界区域与堆芯中心区域等)也是堆芯的代表性分析区域。

2、堆芯代表性分析区域所需分配计算资源的确定

所述“堆芯代表性分析区域所需分配计算资源的确定”是为各堆芯代表性分析区域分配适当的计算资源，旨在使各堆芯代表性分析区域的计算时间相近，保证计算资源的充分合理利用。

该部分的工作一方面可以通过经验数据库中的数据信息，确定各代表性分析区域所需分配的计算资源；另一方面可以通过“试算法”确定各代表性分析区域所应分配的计算资源。

所述“试算法”是分别为各堆芯代表性分析区域配置计算资源，为各代表性分析区域设置测试边界条件，分别开展测试计算，记录各代表性分析区域的计算时间。综合分析所有区域计算时间，调整各代表性分析区域所配置的计算资源，直到各代表性分析区域的计算时间相近。

3、各代表性分析区域计算边界条件的设置

根据堆芯计算分析中所考虑的物理场参数的空间三维分布情况，确定堆芯热工水力计算中各代表性分析区域的边界条件，确保各代表性分析区域获得与各空间位置相关的精细化边界条件。

4、利用不同计算资源同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算

各堆芯代表性分析区域，以各自的边界条件，利用各自的计算资源，分别开展计算，各区域间的计算过程与计算结果互不影响。

当各代表性分析区域完成计算后，分别对各代表性分析区域进行计算数据后处理，获得堆芯内重要空间位置的热工水力信息。

本发明提供了一种降低反应堆堆芯热工水力CFD计算所需计算资源与时间的方法，实现堆芯热工水力状态的分布并行化计算分析，同时利用不同的计算资源，分别对堆芯不同空间位置的重要区域进行CFD计算分析，提升堆芯状态预测的效率。

附图说明

图1是本发明的方法的流程图；

图2是堆芯热工水力分布并行计算方法示意图；

图3是堆芯代表性分析区域边界条件的设置示意图；

图4是堆芯代表性分析区域的同时分布并行计算示意图。

具体实施方式

本发明的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法主要包括如下四部分：

1、确定堆芯各空间位置的代表性分析区域；

2、确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源；

3、设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件；

4、利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算。

下面举例对本发明做更详细的描述：

(1)结合图1与图2，对“堆芯各空间位置的代表性分析区域的确定”的具体实施步骤进行说明(图2左侧方块代表堆芯燃料组件，“网格线所填充的方块”为代表性分析区域所在的燃料组件，图2中A～N与01～13代表燃料组件在堆芯中排列的定位编号)。

该部分具体的实施步骤包括：

1-1)确定具有关键物理特性的堆芯代表性分析区域：

根据堆芯不同物理场性能分析结果，筛选各物理特性关键区域，如堆芯热工水力分析所发现的最高温度区域，堆芯中子物理分析所发现的最高功率区域等；

1-2)确定具有空间代表性的堆芯代表性分析区域：

根据堆芯性能参数在空间上的三维分布差异性，选择堆芯三维空间中的不同空间区域进行监测，被选择的区域也是一种代表性分析区域，如堆芯边界区域与堆芯中心区域等。

1-3)确定堆芯代表性分析区域的范围：

图2左侧中“网格线所填充的方块”只是代表性分析区域所在的“燃料组件”，代表性分析区域的大小需要根据所关心物理状态的完整性与重要性进行设计，原则为：代表性分析区域范围能够反映堆芯栅元级别区域的热工水力过程；越重要的物理状态，所需设计的代表性分析区域的尺寸越大。

图2右侧即是各代表性分析区域范围的示例，对于非重要但需监测的代表性分析区域，可以用1×2规模的冷却剂通道，对于相对重要的代表性分析区域可选择4×4规模的冷区剂通道、5×5规模的燃料栅元区域等。

(2)结合图1，对“堆芯代表性分析区域计算资源的配置”的具体实施步骤进行说明。

首先，判断是否存在各代表性分析区域计算资源分配的经验数据库，若存在，根据经验数据库进行估计，并进行计算资源的分配；若不存在相关经验数据库，通过“试算法”进行计算资源的配置。

“试算法”资源配置方案的具体实施步骤如下：

2-1)确定典型的测试工况，并为堆芯各代表性分析区域设置边界条件；

2-2)计算各代表性分析区域范围的比例(如空间体积的比例等)；

2-3)计算各代表性分析区域计算分析中的网格量比例等；

2-4)依据堆芯代表性分析区域范围比例、代表性分析区域计算分析中的网格量比例等，为堆芯各代表性分析区域配置相应比例的计算资源，原则为：区域范围大、网格量多的区域配置更多的计算资源，确保不同区域的计算时间相近。

2-5)分别开展不同代表性分析区域的数值计算，记录各代表性分析区域的计算时间。综合分析所有区域的计算时间，调整各代表性分析区域所配置的计算资源，再次开展各代表性分析区域的数值计算，直到各代表性分析区域的计算时间相近。

2-6)形成各代表性分析区域计算资源的分配经验，将量化经验存储于代表性分析区域计算资源分配的经验数据库中。完成各代表性分析区域的计算资源配置。

(3)结合图1与图3，对“各代表性分析区域计算边界条件的设置”的具体步骤进行说明。

该部分的工作旨在分析堆芯计算分析中所考虑各物理场的空间三维分布情况，确定堆芯热工水力计算中各代表性分析区域的边界条件，原则：确保各代表性分析区域获得与各空间位置相关的精细化边界条件。

该部分相应步骤：

3-1)如图3，当进行传热分析时，确定堆芯热工水力计算的热源边界条件，图中H代表各空间位置处，由堆芯中子物理计算，或由其它方式所得的热源边界(如功率分布、热流密度分布等传热边界)；

3-2)如图3，确定堆芯热工水力计算的流动边界条件，图中F代表各空间位置处堆芯热工水力的流动边界条件(如流量或流速分布、压力分布等)。

(4)结合图1，对所述“利用不同计算资源同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算”的具体实施步骤进行说明：

4-1)各堆芯代表性分析区域，以各自的边界条件，利用各自的计算资源，分别开展计算，各区域间的计算过程与计算结果互不影响；

4-2)记录不同工况下，各堆芯代表性分析区域的计算时间，形成关于各堆芯代表性分析区域在不同工况下计算效率的经验数据库，为后续各工况下计算资源的分配提供支持；

4-3)对各堆芯代表性分析区域的计算数据进行处理，可在各自计算资源上分别进行处理后统一汇总，也可如图4所示，将各堆芯代表性分析区域的计算数据传递到同一计算资源中，统一进行数据后处理与数据分析，最终获得能够考虑堆芯三维空间中不同位置热工水力状态的数据信息。

Claims (6)

1.一种用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是：

(1)确定堆芯各空间位置的代表性分析区域；

(2)确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源；

(3)设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件；

(4)利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算。

2.根据权利要求1所述的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是所述确定堆芯各空间位置的代表性分析区域具体包括：

1-1)确定具有关键物理特性的堆芯代表性分析区域

根据堆芯各物理场性能分析结果，筛选各物理特性关键区域，所述关键区域包括堆芯热工水力分析所发现的最高温度区域以及堆芯中子物理分析所发现的最高功率区域；

1-2)确定具有空间代表性的堆芯代表性分析区域

根据堆芯性能参数在空间上的三维分布差异性，选择堆芯三维空间中的不同空间区域进行监测，被选择的区域也是一种代表性分析区域包括堆芯边界区域与堆芯中心区域；

1-3)确定堆芯代表性分析区域的范围

确定各代表性分析区域范围，确保各区域范围能够反映堆芯栅元级别热工水力过程，且代表性分析区域中的物理状态越重要，所设计的代表性分析区域范围越大。

3.根据权利要求1所述的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是所述确定堆芯各代表性分析区域计算分析所需分配的计算资源具体包括：首先判断是否存在各代表性分析区域计算资源分配的经验数据库，若存在，根据经验数据库进行估计，并进行计算资源的分配；若不存在经验数据库，通过试算法进行计算资源的配置。

4.根据权利要求3所述的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是所述试算法具体包括：

2-1)确定典型的测试工况，并为堆芯各代表性分析区域设置边界条件；

2-2)计算各代表性分析区域范围的比例；

2-3)计算各代表性分析区域计算分析中的网格量比例；

2-4)依据堆芯代表性分析区域范围比例、代表性分析区域计算分析中的网格量比例，为堆芯各代表性分析区域配置相应比例的计算资源；

2-5)分别开展不同代表性分析区域的数值计算，记录各代表性分析区域的计算时间，综合分析所有代表性分析区域的计算时间，调整各代表性分析区域所配置的计算资源，再次开展各区域的数值计算，直到各区域的计算时间相近；

2-6)形成各代表性分析区域计算资源的分配经验，将量化经验存储于代表性分析区域计算资源分配的经验数据库中。

5.根据权利要求1所述的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是所述设置各代表性分析区域所处空间位置的边界条件具体包括：

3-1)确定堆芯热工水力计算的热源边界条件；

3-2)确定堆芯热工水力计算的流动边界条件。

6.根据权利要求1所述的用于反应堆堆芯热工水力分布并行计算的方法，其特征是利用不同计算资源，同时分别开展不同堆芯代表性分析区域的计算具体包括：

4-1)各堆芯代表性分析区域，以各自的边界条件，利用各自的计算资源，分别开展计算；

4-2)记录不同工况下，各堆芯代表性分析区域的计算时间，形成关于各堆芯代表性分析区域在不同工况下计算效率的经验数据库；

4-3)对各堆芯代表性分析区域的计算数据进行处理，在各自计算资源上分别进行处理后统一汇总；或者是将各堆芯代表性分析区域的计算数据传递到同一计算资源中，统一进行数据后处理与数据分析，最终获得能够考虑堆芯三维空间中不同位置热工水力状态的数据信息。