CN109063235A - 一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统，针对核反应堆多物理耦合需求设计、包括底层支撑工具、集多种耦合策略于一体。所述系统包括最高层用户需求接收层、耦合需求预定义层、耦合实现层、支撑工具层、运行环境层五个层次结构，融合了耦合计算流程的调度与接口参数的更新与传递、不同计算程序间网格映射、不同空间离散模式下计算程序间解数据的传递等，可实现用户多种耦合需求、可提供多种耦合策略、可实现耦合过程控制、可提供底层支撑工具、可支持高性能环境扩展、对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测具有十分重要的意义。

Description

一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统及方法

技术领域

本发明属于核能与模拟计算领域，具体涉及一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统及方法。

背景技术

随着人类对能源需求的增加，核能成为一种重要的能源。核反应堆由一系列复杂而相互影响的现象组成。在反应堆中，发生核裂变反应从而产生核能，冷却剂将热量带出堆芯。这个过程涉及多个复杂现象的相互作用，裂变产生核热，导致堆芯温度场变化，流体冷却剂循环冷却、温度密度等特性发生变化，冷却剂的变化反之又导致反应截面的变化，另一方面，热应变导致力学模型上的位移，位移又会对热传导模型产生影响。

随着计算能力的提升，特别是我国超级计算机的迅猛发展。模拟在核反应堆的研究、设计、建造、运行、延寿、退役等方面都发挥着越来越重要的作用。对核反应堆中涉及到的各种物理现象进行模拟，可对单个物理现象单独模拟，也对多种物理现象耦合模拟。多物理耦合将多个物理现象联合考虑，相较单个物理现象模拟，能更精确地反映核反应堆内的真实物理现象。多物理耦合在核反应堆模拟中起着举足轻重的作用，受到国内外学者的关注。

现有技术中，多物理耦合的耦合策略有同步算子分裂、异步算子分裂、皮卡尔迭代，基于JFNK求解联立方程等，图1所示为现有技术中多物理耦合的策略示意图。如图1所示，同步算子分裂、异步算子分裂和皮卡尔迭代将原本相互作用的现象分裂成孤立的过程，每个单一过程由独立的程序分开模拟，可通过耦合软件例如LIME，CouPE实现，被称为松耦合策略。松耦合策略中引入大量近似和简化，以简化计算模型和降低计算精度来减少对计算资源的需求。其弊端是，在进行设计计算时，留出许多不必要的安全裕量，得到的结果过于保守，阻碍了核电站的优化设计。

如图1所示，与松耦合策略相对应的，是紧耦合策略。随着计算机硬件和高性能计算技术的快速发展，特别是即将到来的E级计算机时代，JFNK(Jacobian-Free Newton-Krylov)方法逐步受到国内外研究学者重视。多物理耦合软件MOOOSE基于JFNK方法实现了紧耦合策略。

现有技术中，常用的实现核反应堆模拟的多物理耦合代表性软件主要有轻量级集成多物理代码耦合环境LIME、CouPE、面向对象对物理模拟环境MOOSE、面向网格数据库MOAB、数据传输工具DTK等。耦合环境LIME(Lightweight Integrating MultiphysicsEnvironment for coupling codes)最主要的目的旨在有效地将已有的单物理软件耦合成为一个多物理耦合软件。到发展到LIME2.0时，LIME可分为两个软件包：轻量级软件包LIMELite，以黑盒的皮卡尔迭代方式对已有代码进行松耦合；隐式迭代软件包LIMEImplicit，通过以牛顿方式等隐式迭代方式进行紧耦合。ANASYS,COMSOL等大型商用软件也具备耦合框架平台的特点。

如上所述，虽然现有技术中已经有了不少用于多物理耦合的工具，涉及耦合过程控制、数据传递、网格映射等多种功能，但尚无一套针对核反应堆多物理耦合需求的、集多种耦合策略于一体、包括底层支撑工具的多物理耦合系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对核反应堆多物理耦合需求，设计集多种耦合策略于一体、包括底层支撑工具的多物理耦合框架，提出了一种用于核反应堆模拟的多物理耦合系统及方法，该系统对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测都十分重要。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于核反应堆模拟的多物理耦合系统，所述系统包括用户需求接收层、耦合需求预定义层、耦合实现层、支撑工具层、运行环境层五个层次结构，其中，

所述用户需求接收层为最高层，用于与用户交互，获得基本参数以及耦合的具体需求；

所述耦合需求预定义层为次高层，用于针对反应堆模拟中的耦合进行预定义；

所述耦合实现层为中间层，用于分别实现松耦合策略和紧耦合策略；

所述支撑工具层为次底层，包括松耦合策略中单物理求解模块及紧耦合策略中求解方程组所需的数学库，以及后处理及可视化工具；

所述运行环境层为最底层，用于体现所述多物理耦合系统兼容的从单机到集群的多种环境。

进一步地，所述耦合需求预定义层所定义的耦合包括：输运-燃耗耦合、核-热耦合、流-固-热耦合、物理-热工-燃料性能耦合以及材料服役性能物理-热工耦合。

进一步地，所述耦合实现层的松耦合策略中，包括：结构力学模型及模拟模块、热工水力模型及模拟模块、燃料性能分析模型及模拟模块、反应堆中子物理模型及模拟模块、燃耗模型及模拟模块、材料服役性能预测模型及模块；

所述多物理耦合包括：在燃耗模型和反应堆中子输运模型之间进行输运-燃耗耦合，在反应堆中子物理模型与热工水力模型之间进行核-热耦合，在热工水力模型和结构力学模型之间进行的流-固-热耦合，在反应堆物理模型、热工水力模型、燃料性能分析模型之间进行的物理-热工-燃料性能耦合，以及材料服役性能分析模型与物理模型、热工模型之间的耦合作用，关注材料长期在高温、大剂量高能中子辐照环境下性能变化。

进一步地，所述耦合实现层的紧耦合策略中，包括对应于耦合需求预定义层所定义的输运-燃耗耦合、核-热耦合、流-固-热耦合、物理-热工-燃料性能耦合以及材料服役性能物理-热工耦合的五个单物理模型，和一个基于JFNK方法的紧耦合求解器，用于联立并求解用户定义的涉及多个物理过程的方程组。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于反应堆模拟的多物理耦合方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，选择耦合策略；当选择松耦合策略时，转入步骤S2；当选择紧耦合策略时，转入步骤S3；

步骤S2，根据模拟需求完成相应单物理耦合模型及模拟程序进行物理耦合，收集模拟数据并输出；

步骤S3，求解代表多物理过程的方程组，收集模拟数据并输出。

进一步地，所述步骤S1中的单物理耦合模型及模拟模块，包括：结构力学模型及模拟模块、热工水力模型及模拟模块、燃料性能分析模型及模拟模块、反应堆中子物理模型及模拟模块、燃耗模型及模拟模块、材料服役性能预测模型及模拟模块。

进一步地，所述步骤S2进一步包括：

步骤S21，用户填入输入卡；

步骤S22，启动相应单物理模拟模块；

步骤S23，模拟开始，所述单物理模块进行计算、调用网格映射工具及解数据传递工具进行模块间传递数据、各模块获得新值更新参数，启动新迭代步继续计算，逐步迭代，直至收敛；

步骤S24，收集模拟数据，启用后处理及可视化展示程序。

进一步地，所述步骤S3进一步包括：

步骤S31，用户按系统模板输入代表物理过程的方程；

步骤S32，启动基于JFNK方法的求解器，求解所涉及多物理过程的方程组，调用底层数学库迭代计算直至收敛；

步骤S33，收集模拟数据，启用后处理及可视化展示程序。

本发明上述技术方案的有益效果如下：

可实现用户多种耦合需求：输运-燃耗耦合需求、核-热耦合需求、流-固-热耦合需求、物理-热工-燃料性能耦合需求等；

可提供多种耦合策略：包含松耦合策略，比如同步算子分裂、异步算子分裂、皮卡尔迭代，包含紧耦合策略，即基于JFNK方法实现多物理过程涉及方程联立求解；

可实现耦合过程控制：松耦合中实现迭代控制及收敛判断，紧耦合实现多物理方程联立求解；

可提供底层支撑工具：网格映射工具、数据传递工具、后处理及可视化展示工具、高性能数学库等；

可支持高性能环境扩展：随着高性能计算机的发展，可实现更高精度更大规模的模拟。单物理模拟模块的规模需求也会随之逐步增大，比如热工水力模拟软件模拟网格需求可能从百万增长到上亿，耦合系统及其关键工具比如网格映射、数据传递工具支持模拟需求的扩展。

本发明实施例融合了耦合计算流程的调度与接口参数的更新与传递、不同计算程序间网格映射、不同空间离散模式下计算程序间解数据的互换等，针对核反应堆多物理耦合具体需求而设计，对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测具有十分重要的意义。

附图说明

为了更加清晰的阐述本发明的实施例和现有的技术方案，下面将本发明的技术方案说明附图做简单的介绍，显而易见的，在不付出创造性劳动的前提下，本领域普通技术人员可通过以下附图获得其他的附图。

图1为现有技术中多物理耦合的策略示意图；

图2为本发明第一实施例的用于核反应堆模拟的多物理耦合系统结构示意图；

图3为本发明第一实施例的多物理耦合系统中不同核反应过程所对应的不同模型及模型关系图；

图4为本发明第二实施例的用于核反应堆模拟的多物理耦合方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对核反应堆多物理耦合模拟需求，设计集多种耦合策略于一体、包括底层支撑工具的多物理耦合框架，提出了一种用于核反应堆模拟的多物理耦合系统及方法，所述系统融合了多物理耦合过程中需要的关键技术，包括：耦合计算流程的调度与接口参数的更新与传递、不同计算程序间网格映射、不同空间离散模式下计算程序间解数据的互换等，针对核反应堆多物理耦合具体需求而设计，对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测都十分重要。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

第一实施例

本实施例提供了一种用于核反应堆模拟的多物理耦合系统，即一种多物理耦合框架。图2所示为本实施例的用于核反应堆模拟的多物理耦合系统结构示意图。

如图2所示，该系统包括五个层次结构，最高层用户需求接收层用于与用户交互，获得包括堆型、额定功率、燃料类型等基本参数，以及耦合的具体需求；下一层耦合需求预定义层，针对反应堆模拟中常用的几种耦合进行预定义，分别为输运-燃耗耦合、核-热耦合、流-固-热耦合、物理-热工-燃料性能耦合以及材料服役性能物理-热工耦合；耦合实现层分别实现松耦合和紧耦合两种策略，在松耦合中，系统包括热工水力模拟、结构力学模拟、中子物理模拟、燃料性能分析与材料性能五个单物理模拟模块，以及解数据传递工具和网格映射工具，另外还实现用于耦合流程调度的耦合策略实现、收敛判断和迭代控制功能，紧耦合基于JFNK方法求解用户定义的涉及多个物理过程的方程组；支撑工具层包括松耦合策略中单物理求解模块及紧耦合策略中方程组求解所需的数学库，以及后处理及可视化工具；最底层运行环境层体现该系统兼容的从单机到集群的多种环境。

图3所示为本实施例多物理耦合系统中不同核反应过程所对应的不同模型及模型关系图。如图3所示，本实施例的所述用于核反应堆模拟的多物理耦合系统，涉及到对不同核反应过程的模拟，不同的核反应过程通过不同的模型来完成。所涉及到的模型包括：结构力学模型、热工水力模型、燃料性能分析模型、反应堆物理模型、燃耗模型；还可以包括：材料服役性能预测模型，用于研究反应堆内关键结构材料——压力容器、堆内构件、锆包壳在长期、高温、大剂量高能中子辐照环境下性能变化，从而形成一个完整的核反应模型系统，通过在所述模型结构中输入堆型、额定功率、燃料类型等基本参数，对核反应堆的多种物理过程进行模拟。在这六种不同的核反应堆模型之间，涉及到四种耦合和相应的耦合信息传递，在燃耗模型和反应堆中子物理模型之间进行输运-燃耗耦合，在反应堆中子物理模型与热工水力模型之间进行核-热耦合，在热工水力模型和结构力学模型之间进行的流-固-热耦合，在反应堆物理模型、热工水力模型、燃料性能分析模型之间进行物理-热工-燃料性能耦合，以及材料服役性能分析模型与物理模型、热工模型之间的耦合作用。

本实施例的所述用于核反应模拟的多物理耦合系统，融合了耦合计算流程的调度与接口参数的更新与传递、不同计算程序间网格映射、不同空间离散模式下计算程序间解数据的互换等，针对核反应堆多物理耦合具体需求而设计，对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测具有十分重要的意义。

第二实施例

本实施例提供了一种用于核反应堆模拟的多物理耦合方法，图4所示为本实施例的用于反应堆模拟的多物理耦合方法流程示意图。如图4所示，本实施例的用于核反应堆模拟的多物理耦合方法，具体包括如下步骤：

步骤S1，选择耦合策略。当选择松耦合策略时，转入步骤S2；当选择紧耦合策略时，转入步骤S3。

优选地，本步骤中根据模拟需求、计算资源等进行耦合策略的选择。

步骤S2，根据模拟需求完成相应单物理模块计算及模块间耦合，收集模拟数据并输出。

本步骤中的所述单物理耦合模型及模拟程序，包括：结构力学模型及模拟模块、热工水力模型及模拟模块、燃料性能分析模型及模块、反应堆中子物理模型及模拟模块、燃耗模型及模拟模块、材料服役性能预测模型及模块。

本步骤进一步包括：

步骤S21，用户填入输入卡，选择具体耦合策略。

优选地，本步骤中的所述具体耦合策略包括：同步算子分裂、异步算子分裂、皮卡尔迭代策略。

步骤S22，启动相应单物理模拟模块。

例如，需模拟流-热-固现象，则启动热工水力和结构力学单物理模型及模拟模块。

步骤S23，模拟开始，所述单物理模块开始一轮计算，计算完成后进行模块间解数据传递，获得新值继续计算，逐步迭代直至收敛。

具体的，各单物理模块调用底层数学库支撑计算，单物理模块间通过数据传递工具及网格映射工具以边界条件形式进行解数据交换，获得新值后进行下一轮迭代，系统控制迭代过程，直至收敛结束各单物理模块计算。

步骤S24，收集模拟数据，启用后处理及可视化程序展示。

步骤S3，求解代表多物理过程的方程组，收集模拟数据并输出。

本步骤进一步包括：

步骤S31，用户按系统模板输入代表物理过程的方程。

优选的，本步骤中的所述物理方程包括：传热方程、能量守恒方程、质量守恒方程等。

步骤S32，启动基于JFNK方法的求解器，求解所述代理物理过程的方程组，调用底层数学库迭代计算直至收敛。

步骤S33，收集模拟数据，启用后处理可视化程序展示。

本实施例的所述用于核反应模拟的多物理耦合方法，融合了耦合计算流程的调度与接口参数的更新与传递、不同计算程序间网格映射、不同空间离散模式下计算程序间解数据的互换等，针对核反应堆多物理耦合具体需求而设计，对于新堆设计、现役核电站优化、不同工况运行模拟优化、严重事故序列演示预测具有十分重要的意义。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于核反应堆模拟的多物理耦合系统，其特征在于，所述系统包括用户需求接收层、耦合需求预定义层、耦合实现层、支撑工具层、运行环境层五个层次结构，其中，

所述用户需求接收层为最高层，用于与用户交互，获得基本参数以及耦合的具体需求；

所述耦合需求预定义层为次高层，用于针对反应堆模拟中的耦合进行预定义；

所述耦合实现层为中间层，用于分别实现松耦合策略和紧耦合策略；

所述支撑工具层为次底层，包括松耦合策略中单物理求解模块及紧耦合策略中求解方程组需的数学库，以及后处理及可视化工具；

所述运行环境层为最底层，用于体现所述多物理耦合系统兼容的从单机到集群的多种环境。

2.根据权利要求1所述的多物理耦合系统，其特征在于，所述耦合需求预定义层所定义的耦合包括：输运-燃耗耦合、核-热耦合、流-固-热耦合、物理-热工-燃料性能耦合以及材料服役性能与物理-热工耦合。

3.根据权利要求2所述的多物理耦合系统，其特征在于，所述耦合实现层的松耦合策略中，包括：结构力学模型及模拟模块、热工水力模型及模拟模块、燃料性能分析模型及模拟模块、反应堆中子物理模型及模拟模块、燃耗模型及模拟模块、材料服役性能预测模型及模块；

所述多物理耦合包括：在燃耗模型和反应堆中子输运模型之间进行输运-燃耗耦合，在反应堆中子物理模型与热工水力模型之间进行核-热耦合，在热工水力模型和结构力学模型之间进行的流-固-热耦合，在反应堆物理模型、热工水力模型、燃料性能分析模型之间进行的物理-热工-燃料性能耦合，以及材料服役性能分析模型与物理模型、热工模型之间的耦合作用，关注材料长期在高温、大剂量高能中子辐照环境下性能变化。

4.根据权利要求2所述的多物理耦合系统，其特征在于，所述耦合实现层的紧耦合策略中，包括对应于耦合需求预定义层所定义的输运-燃耗耦合、核-热耦合、流-固-热耦合、物理-热工-燃料性能耦合以及材料服役性能物理-热工耦合的五个耦合模型，和一个基于JFNK方法的紧耦合求解器，用于求解用户定义的涉及多个物理过程方程组。

5.一种用于反应堆模拟的多物理耦合方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，选择耦合策略；当选择松耦合策略时，转入步骤S2；当选择紧耦合策略时，转入步骤S3；

步骤S2，根据模拟需求完成相应单物理模块计算，及各模块间耦合，收集模拟数据并输出；

步骤S3，求解代表多物理过程的方程组，收集模拟数据并输出。

6.根据权利要求5所述的用于反应堆模拟的多物理耦合方法，其特征在于，所述步骤S1中的单物理耦合模型及模拟模块，包括：结构力学模型及模拟模块、热工水力模型及模拟模块、燃料性能分析模型及模拟模块、反应堆中子物理模型及模拟模块、燃耗模型及模拟模块、材料服役性能预测模型及模拟模块。

7.根据权利要求5所述的用于反应堆模拟的多物理耦合方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

步骤S21，用户填入输入卡；

步骤S22，启动相应单物理模拟模块；

步骤S23，模拟开始，所述单物理模块进行计算、调用网格映射工具及解数据传递工具进行模块间传递数据、各模块获得新值更新参数，启动新迭代步继续计算，逐步迭代，直至收敛；

步骤S24，收集模拟数据，启用后处理及可视化展示程序。

8.根据权利要求5所述的用于反应堆模拟的多物理耦合方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

步骤S31，用户按系统模板输入代表物理过程的方程；

步骤S32，启动基于JFNK方法的求解器，求解所涉及多物理过程的方程组，调用底层数学库迭代计算直至收敛；

步骤S33，收集模拟数据，启用后处理及可视化展示程序。