CN113609723B - 一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法，步骤如下：1、根据蒸汽发生器几何结构，建立重叠网格2、根据计算模型与计算资源，将网格分配到多核并行的计算核中；3、在每个计算核中，读取并记录重叠网格区域每个网格坐标，并传递至主核；4、根据网格坐标，在主核中进行网格匹配，并将匹配结果传递至对应计算核中；5、一个时间段并行计算结束后，计算核根据匹配结果将计算参数传递至对应网格，准备下一时间计算；6、重复上述并行过程，直至完成全时段计算。本方法基于网格质心匹配方法，实现了蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递。

Description

一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法

技术领域

本发明属于蒸汽发生器数值模拟技术领域，具体涉及到一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法。

背景技术

蒸汽发生器是核动力系统中的关键设备，将一回路产生的热量传递给二回路，其中传热管束是一二次侧介质的隔离屏障，因此对蒸汽发生器的数值模拟是核动力系统的研究重点。同时，随着计算机并行技术的不断发展，针对计算流体动力学的科学问题，如大空间三维CFD计算、大涡模拟、直接模拟等，可以通过并行计算有效解决。并行计算是多个进程同时执行，以专用的高性能计算机作为计算平台，通过共享存储、数据传递等方式实现进程交互，共同完成计算任务。与传统串行计算相比，并行计算既有更高的计算效率，大幅减少计算时间，提高求解精度，从而越来越多的运用于计算流体动力学求解，成为主流的计算求解方式。

在蒸汽发生器的三维数值模拟中，针对蒸汽发生器传热管束一二次侧流动换热，大多使用多孔介质方法对传热管束内数量巨大的管道进行简化模拟，使用一套网格难以描述传热管内外不同流场之间的物理学现象，需要对相同区域建立重叠网格设置不同求解模型进行分析，两套网格分别进行并行计算，相互传递参数，实现两个物理场的相互影响。

在计算流体动力学软件中针对蒸汽发生器使用重叠网格进行并行计算时，由于网格分配具有比较大的随机性，故在一次侧和二次侧两套网格数据传递过程中难以实现对应网格参数的直接传递，一般使用单核接收网格参数，在单核内进行数据交换，使得在数据传递阶段，传递速度慢，计算机资源利用率不高。针对上述问题，需要开发一种并行数据传递方法适应计算流体动力学中针对蒸汽发生器的重叠网格计算方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法，该方法创新性地提出了一种基于质心坐标的并行网格匹配方法，并将匹配结果用于并行数据传递过程，能够加快重叠网格问题并行计算时数据传递速度，实现高精度、高效率的计算流体动力学问题并行求解，为大规模、高精度数值反应堆模拟提供理论支持。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法，使用基于一一映射的网格质心匹配方法，将蒸汽发生器传热管束区域中一二次侧的重叠网格一一对应，通过区分主核与计算核，实现质心匹配参数的传递，结合匹配结果，最终实现蒸汽发生器计算中重叠网格数据的并行传递，能够提高蒸汽发生器并行计算速度，提高网格数据传递准确性，为大规模、高精度数值并行模拟提供理论支持；包括以下步骤：

步骤1：针对蒸汽发生器的结构建立蒸汽发生器几何模型，该蒸汽发生器几何模型包含一次侧的入口腔室、U型管束和出口腔室，以及二次侧的给水管、下降段、上升段、汽水分离器和蒸汽室，根据蒸汽发生器几何模型进行网格划分，其中一次侧的U型管束区域和二次侧的上升段均使用多孔介质方法进行网格划分，两套网格即组成重叠网格区域，对重叠网格区域使用相同空间离散方法划分两套网格并单独分配网格编号，以下将重叠网格对应的两套网格分别称为一次侧网格和二次侧网格；

步骤2：打开计算流体动力学软件的并行计算功能，选择并行计算模式下的运行核数、信息传递接口和内存保存位置，导入步骤1划分的蒸汽发生器重叠网格区域的一二次侧网格，计算机根据中央处理器运行状态与计算能力分配不同中央处理器中网格数目与位置，完成网格在中央处理器中的随机分配；

步骤3：选取第一个中央处理器作为主核，其他中央处理器作为计算核，同时在每一个计算核中，按照网格存储顺序，依次读取重叠计算区域中每一个网格的质心坐标，分别生成包含一次侧网格和二次侧网格质心坐标的两个数组，将计算核中质心坐标数组传递至主核中，直至主核中存有所有重叠网格质心坐标数组；

步骤4：在主核中，依次对比一次侧网格和二次侧网格的质心坐标数组中存储的x、y、z坐标值，当三者对应的误差均小于最小网格尺寸的二分之一时，则认为分别属于一次侧网格和二次侧网格的两个小网格匹配，将匹配的两个小网格位于计算核中的位置信息，记录到对应计算核的匹配结果数组中，循环上述过程，直至重叠计算区域所有网格匹配结束，最终将匹配结果数组传递至对应计算核中，在计算流体动力学软件中根据蒸汽发生器的模拟条件设置计算模型、边界条件和初始条件的求解参数，开始蒸汽发生器并行计算；

步骤5：在一个时间段的并行计算结束，需要重叠网格区域进行数据传递时，同时在每一个计算核中，根据步骤4中得到的匹配结果数组，将重叠网格内计算所需要的参数传递至匹配网格所处的计算核中，相应的每一个计算核都接收到来自不同其他计算核中重叠区域网格参数，参数包括一二次侧网格内冷却剂温度、流速和一二次侧的换热量，实现一次重叠网格的并行数据传递；

步骤6：在每一个并行计算时间结束后，重复步骤5，直至完成全时段计算，实现重叠网格并行数据传递。

本发明提出的蒸汽发生器内一二次侧数据传递方法适用于计算流体动力学软件中重叠网格并行计算，与现有数据传递方法相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过在蒸汽发生器U型传热管束区域划分相同网格作为网格匹配的基础，使用网格一一对应的匹配方式有利于数据准确直接的传递，有效减少插值方法带来的计算误差，有利于简化数据传递过程，提高传递效率；

2.本发明通过网格质心对应的方法实现网格匹配，基于相同的网格划分方法，单一使用质心坐标能够对应一个网格的位置信息，通过最少的循环与判断次数即可实现网格匹配过程，有利于提高网格匹配速度；

3.本发明通过构建匹配数组作为并行数据传递基础，通过数组内储存的匹配信息，可实现多处理器之间的直接同时信息交互，相比于串行传递过程，极大的提高了数据传递速度，有利于提高大规模并行计算性能；

4.本发明通过将一二次侧网格热工水力学参数作为并行传递数据，建立了一二次侧物理模型的联系通道，一二次侧的数据交互有利于提高计算精度，为大规模、高精度数值反应堆模拟提供理论支持。

附图说明

图1为重叠网格并行数据传递方法流程图。

图2为重叠网格坐标匹配与并行传递流程图。

具体实施方式

下面以使用计算流体动力学软件，构建重叠网格，通过用户自定义函数编写并行网格匹配与数据传递过程，实现并行数据传递为例，结合图1进行具体描述：

本发明提供了一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法，图1给出了该重叠网格并行数据传递方法流程图，具体传递方法如下：

步骤1：针对蒸汽发生器的结构建立蒸汽发生器几何模型，该蒸汽发生器几何模型包含一次侧的入口腔室、U型管束和出口腔室，以及二次侧的给水管、下降段、上升段、汽水分离器和蒸汽室，根据蒸汽发生器几何模型进行网格划分，其中一次侧的U型管束区域和二次侧的上升段均使用多孔介质方法进行网格划分，两套网格即组成重叠网格区域，对重叠网格区域使用相同空间离散方法划分两套网格并单独分配网格编号，以下将重叠网格对应的两套网格分别称为一次侧网格和二次侧网格；

步骤2：打开计算流体动力学软件的并行计算功能，选择并行计算模式下的运行核数、信息传递接口和内存保存位置，导入步骤1划分的蒸汽发生器重叠网格区域的一二次侧网格，计算机根据中央处理器运行状态与计算能力分配不同中央处理器中网格数目与位置，完成网格在中央处理器中的随机分配；

步骤3：选取第一个中央处理器作为主核，其他中央处理器作为计算核，如图2中网格匹配过程所示，在每一个计算核中，按照网格存储顺序，依次读取重叠计算区域中每一个网格的质心坐标，分别生成包含一次侧网格和二次侧网格质心坐标的两个数组，将计算核中质心坐标数组传递至主核中，直至主核中存有所有重叠网格质心坐标数组；

步骤4：如图2中网格匹配过程所示，在主核中，依次对比一次侧网格和二次侧网格的质心坐标数组中存储的x、y、z坐标值，当三者对应的误差均小于最小网格尺寸的二分之一时，可以认为分别属于一次侧网格和二次侧网格的两个小网格匹配，将匹配的两个小网格位于计算核中的位置信息，记录到对应计算核的匹配结果数组中，循环上述过程，直至重叠计算区域所有网格匹配结束，最终将匹配结果数组传递至对应计算核中，在计算流体动力学软件中根据蒸汽发生器的模拟条件设置计算模型、边界条件和初始条件的求解参数，开始蒸汽发生器并行计算；

步骤5：在一个时间段的并行计算结束，需要重叠网格区域进行数据传递时，同时在每一个计算核中，根据步骤4中得到的匹配结果数组，将重叠网格内计算所需要的参数传递至匹配网格所处的计算核中，相应的每一个计算核都接收到来自不同其他计算核中重叠区域网格参数，参数包括一二次侧网格内冷却剂温度、流速和一二次侧的换热量，以图2中网格数据并行传递中计算核n为例，粗实线代表将计算核n中的一次侧网格和二次侧网格中需传递参数，根据计算核n的网格匹配结果，按照粗虚线所示传递至对应网格所在的计算核中，实现一次重叠网格的并行数据传递；

步骤6：在每一个并行计算时间结束后，重复步骤5，直至完成全时段计算，实现蒸汽发生器内的重叠网格并行数据传递。

以上内容是针对具体方案对数据传递方法的进一步阐述，未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种蒸汽发生器内重叠网格并行数据传递方法，其特征在于：

使用基于一一映射的网格质心匹配方法，将蒸汽发生器传热管束区域中一二次侧的重叠网格一一对应，通过区分主核与计算核，实现质心匹配参数的传递，结合匹配结果，最终实现蒸汽发生器计算中重叠网格数据的并行传递，能够提高蒸汽发生器并行计算速度，提高网格数据传递准确性，为大规模、高精度数值并行模拟提供理论支持；

该方法包含以下步骤：

步骤1：针对蒸汽发生器的结构建立蒸汽发生器几何模型，该蒸汽发生器几何模型包含一次侧的入口腔室、U型管束和出口腔室，以及二次侧的给水管、下降段、上升段、汽水分离器和蒸汽室，根据蒸汽发生器几何模型进行网格划分，其中一次侧的U型管束区域和二次侧的上升段均使用多孔介质方法进行网格划分，两套网格即组成重叠网格区域，对重叠网格区域使用相同空间离散方法划分两套网格并单独分配网格编号，以下将重叠网格对应的两套网格分别称为一次侧网格和二次侧网格；

步骤2：打开计算流体动力学软件的并行计算功能，选择并行计算模式下的运行核数、信息传递接口和内存保存位置，导入步骤1划分的蒸汽发生器重叠网格区域的一二次侧网格，计算机根据中央处理器运行状态与计算能力分配不同中央处理器中网格数目与位置，完成网格在中央处理器中的随机分配；

步骤3：选取第一个中央处理器作为主核，其他中央处理器作为计算核，同时在每一个计算核中，按照网格存储顺序，依次读取重叠计算区域中每一个网格的质心坐标，分别生成包含一次侧网格和二次侧网格质心坐标的两个数组，将计算核中质心坐标数组传递至主核中，直至主核中存有所有重叠网格质心坐标数组；

步骤4：在主核中，依次对比一次侧网格和二次侧网格的质心坐标数组中存储的x、y、z坐标值，当三者对应的误差均小于最小网格尺寸的二分之一时，则认为分别属于一次侧网格和二次侧网格的两个小网格匹配，将匹配的两个小网格位于计算核中的位置信息，记录到对应计算核的匹配结果数组中，循环上述过程，直至重叠计算区域所有网格匹配结束，最终将匹配结果数组传递至对应计算核中，在计算流体动力学软件中根据蒸汽发生器的模拟条件设置计算模型、边界条件和初始条件的求解参数，开始蒸汽发生器并行计算；

步骤5：在一个时间段的并行计算结束，需要重叠网格区域进行数据传递时，同时在每一个计算核中，根据步骤4中得到的匹配结果数组，将重叠网格内计算所需要的参数传递至匹配网格所处的计算核中，相应的每一个计算核都接收到来自不同其他计算核中重叠区域网格参数，参数包括一二次侧网格内冷却剂温度、流速和一二次侧的换热量，实现一次重叠网格的并行数据传递；

步骤6：在每一个并行计算时间结束后，重复步骤5，直至完成全时段计算，实现蒸汽发生器内的重叠网格并行数据传递。

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