CN110083866A - 一种建筑物内部水淹的模拟系统及方法 - Google Patents

一种建筑物内部水淹的模拟系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种建筑物内部水淹的模拟系统及方法，该方法首先根据研究工况开展典型情况物理模型试验；基于SPH方法进行水动力数学模型的建模，采用物理模型试验结果对其进行率定和验证；然后采用经过验证的数学模型开展水淹事件数值模拟计算；分析和处理数值计算结果，获得水淹特征以及水体运动过程三维演示动画。本发明采用无网格的光滑粒子动力学方法模拟水淹三维动态过程，该方法适于计算液面大变形问题，避免了网格方法在水体翻转、破碎等复杂情况下追踪自由液面时易于产生失真的不足。核岛厂房建筑物结构复杂，计算量大，该方法通过并行计算解决计算效率问题，实现了核岛厂房建筑物内部水淹的精确计算。

Description

一种建筑物内部水淹的模拟系统及方法
技术领域
本发明属于核电站核岛厂房设计技术，具体为一种针对核岛厂房所进行的建筑物内部水淹模拟系统及方法。
背景技术
核岛内部水淹是系统和设备的一种共模故障，核电站设计必须考虑这种潜在危害。包括福岛事件中因外部水淹导致的内部水淹也引起了国家核安全局和行业专家的重视。以我国目前在役的M310主力堆型为例，其内部水淹防护设计虽从确定论的角度进行了分析，但是缺少水淹发生后水体在建筑物内的漫延路径以及水淹高度的分析。因此，需要对水淹模型的精确度、数据准确性等方面进行试验验证，严格按照厂房实际条件进行水淹数值模拟，准确反映水淹时间和高度，为核岛内部水淹的分析研究提供数据支持及保障。
SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)是光滑粒子流体动力学方法的缩写，是在近20多年来逐步发展起来的一种无网格方法。该方法的基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述，各个物质点上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，求得整个系统的力学行为。由于SPH方法中质点之间不存在网格关系，因此它可避免极度大变形时网格扭曲而造成的精度破坏等问题，并且也能较为方便的处理不同介质的交界面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对核岛厂房所进行的基于SPH算法的建筑物内部水淹模拟系统及方法，并采用物理试验结果对数学模型进行验证，从而精确得出内部水淹分析的精确数据。
本发明的技术方案如下：一种建筑物内部水淹的模拟系统，包括：
物理试验模型，用于根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据；
水动力建模模块，用于根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；
验证模块，用于根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
计算模块，用于采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算；
后处理模块，用于根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，并制作三维动态演示。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其中，所述物理试验模型是依据建筑物结构特点和内部水淹源信息，按重力相似准则进行设计，结合试验结构尺度及设备性能确定模型长度比尺，设置满足试验条件的流量、粗糙度进行淹水试验；可选用有机玻璃作为模型材料，物理试验设备包括水流量控制设备和超声波水位测量系统，所述水流量控制设备包括蓄水池、水泵、电磁流量计、压力机、调剂管路。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其中，所述水动力建模模块在建模中依据的建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯；水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其中，所述计算模块在配备专业GPU科学运算加速设备的计算机上采用并行技术完成水淹事件模拟计算。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其中，所述后处理模块采用ParaView软件直接读取计算模块的计算结果，并制作成三维演示动画。
一种建筑物内部水淹的模拟方法，包括如下步骤：
(S1)根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据；
(S2)根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；
(S3)根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
(S4)采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算；
(S5)根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，并制作三维动态演示。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟方法，步骤(S1)中物理试验针对每组试验工况进行多次重复，试验步骤如下：
(S1-1)调试供水系统，达到泄漏点出水要求；
(S1-2)根据泄漏点位置，架设管路；
(S1-3)在水淹主要路径的房间内调整水位测量探头；
(S1-4)对水位测量系统进行零点标定；
(S1-5)架设摄像装置，确定拍摄内容；
(S1-6)开始试验，记录不同房间内水位变化、最大水淹高度、水淹路径；
(S1-7)排空模型内水体，清洁、烘干模型，并返回步骤(S1-1)重复试验。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟方法，步骤(S2)中所述的建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯，水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向，采用DualSPHysics软件进行水动力数学模型的建模。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟方法，步骤(S2)中以厂房和相关基座、设备结构作为模型固壁边界，计算中只考虑厂房内流体粒子，粒子运动由连续性方程、动量方程和状态方程控制，在笛卡尔坐标系下，控制方程如下：
其中：t为时间；v为流体速度；ρ为流体密度；ρ0为参考密度；m为流体质量；P为压力；Π为粘性项；W为核函数；g为重力加速度；C0为参考密度下的声速；γ为常系数；下标i表示第i个粒子，下标j表示i粒子作用域范围内的第j个粒子；下标ij表示第i个粒子与其作用范围内第j个粒子之间的相互作用关系；下标0为常数角标。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟方法，步骤(S3)中对物理模型试验结果和水动力数学模型计算结果进行整理，对比两者的水体漫延状态以及水位高度数据，并进行数学模型参数的调整，最终达到两者淹水效果基本一致的情况。
进一步，如上所述的建筑物内部水淹的模拟方法，步骤(S5)中通过提取DualSPHysics软件的计算结果文件，量化水淹过程中水位随时间的变化过程，得到房间水淹高度、水淹高度的时程曲线以及水体漫延路径。
本发明的有益效果如下：本发明通过物理模型试验对数学模型进行率定和验证，从而能够获得可靠的数学模型。同时，采用无网格的光滑粒子动力学方法模拟水淹三维动态过程，该方法适于计算液面大变形问题，避免了网格方法在水体翻转、破碎等复杂情况下追踪自由液面时易于产生失真的不足。由于核岛厂房建筑物结构复杂，计算量大，本发明通过并行计算技术解决了计算效率问题，实现了核岛厂房建筑物内部水淹的精确计算，为核岛内部水淹的分析研究提供数据支持和保障。
附图说明
图1为本发明建筑物内部水淹的模拟系统结构示意图；
图2为本发明建筑物内部水淹的模拟方法流程图；
图3为本发明水流量控制设备的基本组成示意图；
图4为本发明内部水淹模拟系统的物理模型和数学模型试验数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的是一整套核岛厂房内部水淹情况量化分析的系统及方法。该核岛厂房内部水淹的模拟方法是采用数值模型进行全三维动态模拟的方式，利用SPH方法的优势，从而可以精确得出内部水淹分析中的关键数据——水淹高度和时程曲线。
如图1所示，基于SPH算法的核岛厂房内部水淹模拟系统，包括物理试验模型、水动力建模模块、验证模块、计算模块、后处理模块，其中，
物理试验模型，用于根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据；物理试验模型是依据建筑物结构特点和内部水淹源信息，按重力相似准则进行设计，结合试验结构尺度及设备性能确定模型长度比尺，设置满足试验条件的流量、粗糙度进行淹水试验；可选用有机玻璃作为模型材料，物理试验设备包括水流量控制设备和超声波水位测量系统，所述水流量控制设备包括蓄水池、水泵、电磁流量计、压力计、调剂管路；
水动力建模模块，用于根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；水动力建模模块在建模中依据的建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯等，水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向；
验证模块，用于根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
计算模块，用于采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算，为提高计算效率，在配备专业GPU科学运算加速设备的计算机上采用并行技术完成水淹事件模拟计算；
后处理模块，用于根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，并制作三维动态演示，从而可以直观监测水淹发生过程中，建筑物内构筑物的淹没情况，对核岛内部水淹的分析研究提供了重要的依据。
对应上述系统的核岛厂房内部水淹模拟方法的流程如图2所示，包括如下步骤：
(S1)根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据，用于验证和改进数学模型对于各种流量水淹工况的模拟精度和效果；
(S2)根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯等，水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向；本实施例可采用基于SPH方法的DualSPHysics软件进行水动力数学模型的建模；
(S3)根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
(S4)采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算；
(S5)根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，得到房间水淹高度、水淹高度的时程曲线以及水体蔓延路径，并制作三维动态演示。
下面对各方法步骤进行具体说明。
1.物理模型试验：
为确定数学模型计算结果的可靠性，开展物理模型试验，帮助调整模型参数，包括粒子的尺寸和时间步长等数据。通过分析厂房结构特点(包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯等)和内部水淹源流量和位置信息(包括流量大小、水流方向)，按重力相似准则设计物理模型试验，等比例建立核岛厂房的模型，结合试验结构尺度及设备性能等因素确定模型长度比尺，制作模型和开展试验，采用高精度动态水位监测设备对水淹时间中不同位置处水位变化进行测量。
建立物理模型试验主要包含：厂房模型制作、水流量控制设备安装和调试、水位测量仪和数据采集软件安装、模拟不同工况下厂房内部水淹模拟试验、试验数据整理分析。
可以选用高透明、高硬度的有机玻璃作为模型制作材料，保证模型尺度与原型几何相似。开展试验需要用到的仪器和设备包括水流量控制设备和超声波水位测量系统，可以动态定点测量水淹过程中水位时程变化曲线。通过确定试验流量，根据流量要求，定制高精度恒定水流量控制设备，水流量控制设备的基本组成如图3所示，包括蓄水池1、水泵2、电磁流量计5、压力计3、调节阀4、橡胶软管6、扩径/缩径短管7，通过超声波水位探头采集的数据及摄像机记录的影像进行提取，分析试验数据的合理性。
针对每组试验工况重复三次，具体试验步骤如下：
①调试供水系统，达到泄漏点出水要求；
②根据泄漏点位置，架设管路；
③在水淹主要路径的房间内调整水位测量探头；
④水位测量系统零点标定；
⑤架设摄像装置，确定拍摄内容；
⑥开始试验，记录不同房间内水位变化、最大水淹高度、水淹路径；
⑦排空模型内水体，清洁、烘干模型，重复试验。
试验结束，对超声波水位探头采集的数据及摄像机记录的影像进行提取并分析试验数据的合理性，将水位随时间的变化历程绘制成曲线，作为数学模型验证的依据。
2.水动力数学模型的建模：
(1)数值模型建立：
根据核岛厂房的建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯等相关信息以及水淹源的流量大小及水流方向，采用基于SPH方法的DualSPHysics软件进行水动力建模，DualSPHysics软件为一款基于光滑粒子流体动力学(SPH)模型的开源软件。
以厂房和相关基座、设备结构等作为模型固壁边界，计算中只考虑厂房内流体粒子，粒子运动由连续性方程、动量方程和状态方程控制，在笛卡尔坐标系下，控制方程描述如下：
其中：t为时间；v为流体速度；ρ为流体密度；ρ0为参考密度；m为流体质量；P为压力；Π为粘性项；W为核函数；g为重力加速度；C0为参考密度下的声速；γ为常系数；下标i表示第i个粒子，下标j表示i粒子作用域范围内的第j个粒子；下标ij表示第i个粒子与其作用范围内第j个粒子之间的相互作用关系；下标0为常数角标。
(2)参数设定：
选用Quintic内核形式，相应的光滑尺度选为0.866；选用Symplectic时间积分格式，为了提高计算效率采用变时间步长方法，相应最大克朗数设置为0.3；粘性处理方式采用常用的人工粘性方式，粘性系数设置为0.01；重力加速度设置为9.81m/s2；水体密度设置为1000kg/s3；状态方程中常系数γ设置为7；使用Delta-SPH公式增加扩散项减小密度波动，Delta-SPH系数设置为0.1；固壁边界采用交错方式布置粒子。
3.对水动力数学模型进行率定和验证
数学模型计算中粒子尺寸、时间步长及模型参数的选取直接关系到计算精度、效率和流态的真实性。时间步长和粒子尺寸设置过大，粒子数量较少，但是计算结果精度低，直接导致水位高度结果和实际情况不符；时间步长和粒子尺寸设置过小，使计算所需粒子数量异常庞大，计算负荷远超现有计算机的能力。按照物理模型试验结果对上述数学模型的参数进行调整，可以确保后期进行厂房水淹时间的系列数学模拟时，能够在合理的时间范围内和比较经济的计算耗费下得到满足精度要求的结果。对物理模型试验结果和数学模型计算结果进行整理，对比两者的水体漫延状态以及水位高度数据，并进行数学模型参数的调整，最终达到两者淹水效果基本一致的情况。
图4为物理模型试验与水动力数学模型的试验数据对比图。
4.根据计算要求开展水淹事件模拟计算：
模型建好后，在配备专业GPU科学运算加速设备(2880个核心)的计算机上完成。DualSPHysics软件求解器采用先进、成熟的SPH算法，支持中央处理器(CPU)或图形处理器(GPU)并行计算，特别采用基于GPU的并行技术，实现了上千万规模粒子的高效流场模拟，满足实际工程中对计算精度和效率的要求。
5.计算结果的后处理：
(1)数据处理
通过已有的技术手段二次开发数据提取程序，这对于本领域的技术人员来说是可以自行实现的，以所开发的数据提取程序读取DualSPHysics的计算结果文件，量化水淹过程的水位随时间的变化过程，得到房间水淹高度、水淹高度的时程曲线以及水体蔓延路径。
(2)三维动态演示
DualSPHysics的计算结果可以直接用ParaView进行读取并制作成三维演示动画。通过制作成的三维演示动画，可以直观监测水淹发生过程中，建筑物内构筑物的淹没情况，对核岛内部水淹的分析研究提供了重要的依据。
综上所述，本发明描述了一整套核岛厂房内部水淹情况量化分析的方法。开展物理模型试验，用于数值模型进行率定和验证，获得可靠的数学模型。采用无网格粒子法来进行带自由面水体流动过程的模拟，粒子代表介质系统，适合模拟自由面大变形问题，不需要复杂的算法追踪自由表面、移动边界等运动特征，可以有效避免欧拉方法中模拟翻转、破碎等复杂自由表面变化时重构带来的失真。与传统网格方法相比计算精度较好，对于大量粒子的高负荷计算可以通过并行计算来提高计算效率。
本发明严格按照厂房实际水淹信息作为输入条件，进行数值模拟，准确反映水淹路径和水位高度，为核岛内部水淹的分析研究提供数据支持及保障，填补了核岛厂房内部水淹精确计算的空白。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种建筑物内部水淹的模拟系统，包括：
物理试验模型，用于根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据；
水动力建模模块，用于根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；
验证模块，用于根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
计算模块，用于采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算；
后处理模块，用于根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，并制作三维动态演示。
2.如权利要求1所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其特征在于所述物理试验模型是依据建筑物结构特点和内部水淹源信息，按重力相似准则进行设计，结合试验结构尺度及设备性能确定模型长度比尺，设置满足试验条件的流量、粗糙度进行淹水试验。
3.如权利要求2所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其特征在于：选用有机玻璃作为模型材料，物理试验设备包括水流量控制设备和超声波水位测量系统，所述水流量控制设备包括蓄水池、水泵、电磁流量计、压力计、调剂管路。
4.如权利要求1所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其特征在于：所述水动力建模模块在建模中依据的建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯；水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向。
5.如权利要求1所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其特征在于：所述计算模块在配备专业GPU科学运算加速设备的计算机上采用并行技术完成水淹事件模拟计算。
6.如权利要求1所述的建筑物内部水淹的模拟系统，其特征在于：所述后处理模块采用Para View软件直接读取计算模块的计算结果，并制作成三维演示动画。
7.一种建筑物内部水淹的模拟方法，包括如下步骤：
(S1)根据模拟条件开展物理试验，作为数学模拟结果的验证依据；
(S2)根据建筑物相关信息以及水淹源信息，基于SPH方法进行水动力数学模型的建模；
(S3)根据物理试验模型的试验结果，对水动力数学模型进行率定和验证；
(S4)采用经过验证的水动力数学模型根据计算要求开展水淹事件模拟计算；
(S5)根据模拟计算结果量化给出水淹过程中水位随时间的变化过程，并制作三维动态演示。
8.如权利要求7所述的建筑物内部水淹的模拟方法，其特征在于：步骤(S1)中物理试验针对每组试验工况进行多次重复，试验步骤如下：
(S1-1)调试供水系统，达到泄漏点出水要求；
(S1-2)根据泄漏点位置，架设管路；
(S1-3)在水淹主要路径的房间内调整水位测量探头；
(S1-4)对水位测量系统进行零点标定；
(S1-5)架设摄像装置，确定拍摄内容；
(S1-6)开始试验，记录不同房间内水位变化、最大水淹高度、水淹路径；
(S1-7)排空模型内水体，清洁、烘干模型，并返回步骤(S1-1)重复试验。
9.如权利要求7所述的建筑物内部水淹的模拟方法，其特征在于：步骤(S2)中所述的建筑物相关信息包括建筑物结构、门类型、门槛、孔洞、楼梯，水淹源信息包括水淹源的流量大小及水流方向，采用DualSPHysics软件进行水动力数学模型的建模。
10.如权利要求7或9所述的建筑物内部水淹的模拟方法，其特征在于：步骤(S2)中以厂房和相关基座、设备结构作为模型固壁边界，计算中只考虑厂房内流体粒子，粒子运动由连续性方程、动量方程和状态方程控制，在笛卡尔坐标系下，控制方程如下：
其中：t为时间；v为流体速度；ρ为流体密度；ρ0为参考密度；m为流体质量；P为压力；Π为粘性项；W为核函数；g为重力加速度；C0为参考密度下的声速；γ为常系数；下标i表示第i个粒子，下标j表示i粒子作用域范围内的第j个粒子；下标ij表示第i个粒子与其作用范围内第j个粒子之间的相互作用关系；下标0为常数角标。
11.如权利要求7所述的建筑物内部水淹的模拟方法，其特征在于：步骤(S3)中对物理模型试验结果和水动力数学模型计算结果进行整理，对比两者的水体漫延状态以及水位高度数据，并进行数学模型参数的调整，最终达到两者淹水效果基本一致的情况。
12.如权利要求9所述的建筑物内部水淹的模拟方法，其特征在于：步骤(S5)中通过提取DualSPHysics软件的计算结果文件，量化水淹过程中水位随时间的变化过程，得到房间水淹高度、水淹高度的时程曲线以及水体蔓延路径。
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