CN110556169A - 全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法 - Google Patents

全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，该方法首先将预设计核反应堆的燃料组件级全堆芯结构图存储在二维数组中；其次，根据燃料组件级全堆芯结构图，生成棒束级全堆芯结构图，存储在另一二维数组中；然后，根据棒束级全堆芯结构图，生成子通道级全堆芯结构图，覆盖存储在所述棒束级全堆芯结构图对应的二维数组中；最后，以子通道级全堆芯结构图为基础，进行全堆芯子通道求解域划分。本发明突破了求解域划分与燃料组件数目一一对应的限制，实现单个求解域对多个燃料组件的覆盖，使之更适应于单个服务器或小集群运行。

Description

全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法
技术领域
本发明属于核反应堆的热工水力模拟技术，具体涉及一种全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法。
背景技术
在核反应堆的热工水力模拟中，子通道方法将燃料棒之间的区域假想为一个“子通道”，针对子通道进行建模，模拟分析子通道内的温度、流速等状态。现行的反应堆全堆芯子通道热工水力模拟方法，依赖大规模计算集群。因为，这种方法通常是以组件为单位划分求解域，每个求解域对应一个计算单元(CPU)，而通常全堆组件数会有数百个，因此至少也会需要数百个CPU的集群系统，比如，对由157个组件组成的核反应堆堆芯进行热工水力模拟，至少需要有157个计算单元的集群系统(Robert Salko&Travis Lange Oak RidgeNational Laboratory,Vefa Kucukboyaci&Yixing Sung Westinghouse ElectricCo.LLC,Scott Palmtag,Jess Gehin,Maria Avramova,et al.Development of COBRA-TFfor Modeling Full-core,Reactor Operating Cycles[J].2015.4)。
在多核服务器上或小型集群系统上，实现全堆子通道热工水力模拟，对于方便反应堆设计应用，满足反应堆设计单位实际需求，具有特殊意义，因此如何突破求解域划分与组件数目一一对应的限制，实现单个求解域对多个组件覆盖，使得求解域数远小于组件数，适合单个服务器或小集群运行，就成了具有挑战性的问题。而如果直接以组件为单位，把多个组件划分到一个求解域，则可能会产生求解域不连续的情况，例如一个求解域拥有两个区域，这两个区域彼此没有接触，这种情况是不允许的。如果在上述思路的基础上避免这种求解域不连续的情况发生，则会大幅增加算法复杂度，为全堆芯子通道热工水力模拟增加难度。因此，需要开发一种更为简单的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，实现单个求解域对多个组件的覆盖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，突破热工水力模拟中求解域划分与组件数目一一对应的限制，实现单个求解域对多个组件的覆盖，使得求解域数目远小于组件数，实现全堆芯子通道热工水力模拟在单个服务器或小集群模拟运行。
本发明的技术方案如下：一种全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，包括：
(1)初始化核反应堆的燃料组件级全堆芯结构图，存储在二维数组中，用0表示对应位置没有燃料组件，用1表示对应位置有燃料组件；
(2)根据燃料组件级全堆芯结构图，生成棒束级全堆芯结构图，存储在另一个二维数组中，用0表示对应位置没有燃料棒或导向管，用1表示对应位置有燃料棒或导向管；
(3)根据棒束级全堆芯结构图，生成子通道级全堆芯结构图，覆盖存储在所述棒束级全堆芯结构图对应的二维数组中，用0表示对应位置没有子通道，用1表示对应位置有子通道；
(4)以子通道级全堆芯结构图为基础，进行全堆芯子通道求解域划分。
进一步，如上所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，步骤(1)中所述燃料组件级全堆芯结构图表示为m×m的矩阵，m为堆芯中一行或一列最大的组件数。
进一步，如上所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，步骤(2)中所述棒束级全堆芯结构图表示为(mn+3)×(mn+3)的矩阵，其中，n为一个燃料组件中一行或一列最大的棒数。
进一步，如上所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，步骤(3)中生成子通道级全堆芯结构图的方法是：对所述棒束级全堆芯结构图分别沿各行和各列进行扫描，对各行进行扫描时，如果该行的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1；对各列进行扫描时，如果该列的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1。
进一步，如上所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，步骤(4)中进行全堆芯子通道求解域划分的方法如下：将子通道级全堆芯结构图划分为若干个小矩阵块，并计算每个小矩阵块的行起始位置和列起始位置；以小矩阵块为单位，扫描子通道级全堆芯结构图，若被扫描的小矩阵块内各个位置的值均为0，则被视为无效求解域，求解域个数计数器不计数，小矩形块内各个位置的值不变；若被扫描的小矩阵块内存在若干个位置的值不为0，则被视为有效求解域，求解域个数计数器自增1，并将该小矩形块内各个非零位置赋值为当前求解域个数计数器的值，以标明当前求解域包括哪些子通道。
本发明的有益效果如下：本发明提供的全堆芯子通道求解域划分方法，可以使并行热工水力模拟软件使用相对较少且合理的求解域数(即MPI进程数)在小规模计算集群上进行全堆芯热工水力模拟，而非一个组件对应于一个求解域，一个求解域对应一个MPI进程的传统大规模模拟方式，从而突破了求解域划分与组件数目一一对应的限制，实现单个求解域对多个组件的覆盖，使之更适应于单个服务器或小集群运行。
附图说明
图1为本发明实施例中3*3棒束，16个子通道燃料组件示意图；图中1～9号圆形表示燃料棒/导向管，1～16号类矩形表示子通道；
图2为本发明实施例中燃料组件级全堆芯结构图；0表示对应位置没有燃料组件，1表示对应位置有燃料组件；
图3为本发明实施例中棒束级全堆芯结构图；0表示对应位置没有燃料棒/导向管，1表示对应位置有燃料棒/导向管；
图4为本发明实施例中子通道级全堆芯结构图；0表示对应位置没有子通道，1表示对应位置有子通道；
图5为本发明实施例中子通道级全堆芯结构图被划分成4个求解域的示意图；
图6为本发明实施例中子通道级全堆芯结构图被划分成9个求解域的示意图；
图7为本发明实施例中子通道级全堆芯结构图被划分成15个求解域的示意图；
图8为本发明实施例中求解域划分流程图。
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。
本发明引入基于全堆芯的求解域划分方法，打破传统划分方法中燃料组件的约束，理论上，可以划分的最少求解域数为2，最多求解域数为全堆芯子通道数，主要应用是采用相对较少且合理的求解域数对核反应堆进行全堆芯热工水力模拟。首先，预处理程序从输入配置文件读入预设计核反应堆的燃料组件级全堆芯结构图，存储在二维数组sym_type(:,:)中；其次，根据燃料组件级全堆芯结构图，生成棒束级全堆芯结构图，存储在二维数组temp_fullcoremap(:,:)中；然后，根据棒束级全堆芯结构图，生成子通道级全堆芯结构图，覆盖存储在二维数组temp_fullcoremap(:,:)中；最后，以子通道级全堆芯结构图为基础，进行全堆芯子通道求解域划分。
本发明所描述的子通道是指燃料棒之间的区域，如图1所示，在一个3*3棒束结构燃料组件中，存在16个子通道。
图2示出了一个燃料组件级全堆芯结构图的矩阵表示形式。图2所示为m*m＝4*4的二维数组sym_type(:,:)的存储内容：0表示对应位置没有燃料组件，1表示对应位置有燃料组件。堆芯形状是由“1”刻画出来的“#”形，共计12个燃料组件。
根据图2的燃料组件级全堆芯结构图，生成棒束级全堆芯结构图如图3所示，图3由图1所示燃料组件结合图2所示堆芯结构组合而成。图3所示为(mn+3)*(mn+3)＝(4*3+3)*(4*3+3)＝15*15的二维数组temp_fullcoremap(:,:)的存储内容：0表示对应位置没有燃料棒/导向管，1表示对应位置有燃料棒/导向管。
由于子通道级堆芯结构图比棒束级堆芯结构图多一行一列(从图1中可以看出，3×3棒束对应4×4子通道)，而且为了避免需要处理的元素位于矩阵边界，从而无需对边界特殊位置上的元素进行特殊的处理，简化代码，因此可以在子通道级堆芯结构图的边界处再增加一行或一列无实际意义的元素(例如图4中的第一行和最后一行，第一列和最后一列)。这就是以上棒束级全堆芯结构图矩阵表达式中加3的原因。
对图3所示棒束级全堆芯结构图分别沿各行和各列进行扫描，对各行进行扫描时，如果该行的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1；对各列进行扫描时，如果该列的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1。得到的子通道级全堆芯结构图覆盖存储在二维数组temp_fullcoremap(:,:)中，图4所示为temp_fullcoremap(:,:)更新后的存储内容，0表示对应位置没有子通道，1表示对应位置有子通道。
图5-图7分别为将子通道级全堆芯结构图划分成4个、9个、15个求解域的示意图。将子通道级全堆芯结构图划分为相应数量的小矩阵块，并计算每个小矩阵块的行起始位置和列起始位置；以小矩阵块为单位，扫描子通道级全堆芯结构图，若被扫描的小矩阵块内各个位置的值均为0，则被视为无效求解域，求解域个数计数器不计数，小矩形块内各个位置的值不变；若被扫描的小矩阵块内存在若干个位置的值不为0，则被视为有效求解域，求解域个数计数器自增1，并将该小矩形块内各个非零位置赋值为当前求解域个数计数器的值。
上述方法的一个具体实施流程如图8所示，包括如下步骤：
1)初始化燃料组件级全堆芯结构图：读取配置文件，初始化预设计核反应堆的燃料组件级堆芯结构图m*m，存储在二维数组sym_type(:,:)中，用0表示对应位置没有燃料组件，用1表示对应位置有燃料组件。
2)生成棒束级全堆芯结构图：遍历二维数组sym_type(:,:)，若对应位置为0，则扩展为n*n棒束的0方阵；若对应位置为1，则扩展为n*n棒束的1方阵。扩展后的(mn+3)*(mn+3)方阵存储在二维数组temp_fullcoremap(:,:)中。二维数组temp_fullcoremap(:,:)为(mn+3)*(mn+3)方阵，为后续生成子通道级全堆芯结构图做准备。
3)生成子通道级全堆芯结构图：a)行优先扫描temp_fullcoremap(:,:)，若满足temp_fullcoremap(i,j)-temp_fullcoremap(i,j+1))>0，则temp_fullcoremap(i,j+1)＝1，进入下一行继续扫描，赋值操作在每行扫描结束后进行；b)列优先扫描temp_fullcoremap(:,:)，若满足temp_fullcoremap(j,i)-temp_fullcoremap(j+1,i)>0，则temp_fullcoremap(j+1,i)＝1，进入下一列继续扫描，赋值操作在每列扫描结束后进行。生成的子通道级堆芯结构图覆盖存储在temp_fullcoremap(:,:)中。
4)确定划分因数和划分坐标：若全堆芯结构图(子通道级堆芯结构图temp_fullcoremap(:,:))需要被划分为nproc个求解域，则通过划分函数Div_ndoma_in_core_row(nproc)，将nproc分解为两个差值最小的正整数相乘，记为ndinrow和ndincolu；全堆芯将被分成ndincolu*ndinrow个小矩阵块，并计算得到每个小矩阵块的行起始位置和列起始位置，分别保存在一维数组temp_rowstart(:)和temp_colstart(:)中。
5)求解域划分：以步骤4)中计算得到的小矩阵块为单位，按行优先的方式扫描全堆芯结构图temp_fullcoremap(:,:)，若被扫描的小矩阵块内各个位置的值均为0，则被视为无效求解域，求解域个数计数器temp_domain不计数，小矩形块内各个位置的值不变；若被扫描的小矩阵块内存在若干个位置的值不为0，则被视为有效求解域，求解域个数计数器temp_domain自增1，小矩形块内各个位置的值赋值为当前temp_domain的值，以标明当前求解域包括哪些子通道。遍历结束，求解域划分完毕，同时也计算得到有效求解域个数temp_domain。不难发现，temp_domain≤nproc。
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 (5)

1.一种全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，包括：
(1)初始化核反应堆的燃料组件级全堆芯结构图，存储在二维数组中，用0表示对应位置没有燃料组件，用1表示对应位置有燃料组件；
(2)根据燃料组件级全堆芯结构图，生成棒束级全堆芯结构图，存储在另一个二维数组中，用0表示对应位置没有燃料棒或导向管，用1表示对应位置有燃料棒或导向管；
(3)根据棒束级全堆芯结构图，生成子通道级全堆芯结构图，覆盖存储在所述棒束级全堆芯结构图对应的二维数组中，用0表示对应位置没有子通道，用1表示对应位置有子通道；
(4)以子通道级全堆芯结构图为基础，进行全堆芯子通道求解域划分。
2.如权利要求1所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，其特征在于：步骤(1)中所述燃料组件级全堆芯结构图表示为m×m的矩阵，m为堆芯中一行或一列最大的组件数。
3.如权利要求2所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，其特征在于：步骤(2)中所述棒束级全堆芯结构图表示为(mn+3)×(mn+3)的矩阵，其中，n为一个燃料组件中一行或一列最大的棒数。
4.如权利要求3所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，其特征在于：步骤(3)中生成子通道级全堆芯结构图的方法是：对所述棒束级全堆芯结构图分别沿各行和各列进行扫描，对各行进行扫描时，如果该行的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1；对各列进行扫描时，如果该列的一个位置数字减去后一个位置数字的结果大于0，则扫描结束后将后一个位置数字修改为1。
5.如权利要求4所述的全堆芯子通道热工水力模拟的求解域划分方法，其特征在于：步骤(4)中进行全堆芯子通道求解域划分的方法如下：将子通道级全堆芯结构图划分为若干个小矩阵块，并计算每个小矩阵块的行起始位置和列起始位置；以小矩阵块为单位，扫描子通道级全堆芯结构图，若被扫描的小矩阵块内各个位置的值均为0，则被视为无效求解域，求解域个数计数器不计数，小矩形块内各个位置的值不变；若被扫描的小矩阵块内存在若干个位置的值不为0，则被视为有效求解域，求解域个数计数器自增1，并将该小矩形块内各个非零位置赋值为当前求解域个数计数器的值，以标明当前求解域包括哪些子通道。
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