CN115221720B - 一种核能装备的联合仿真方法、设备、介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核能装备的联合仿真方法、设备、介质及系统，属于核能装备仿真领域，包括步骤：S1，首先编写通讯代码程序，然后在Fluent软件运行端中编译通讯UDF，并构建三维模型，构建时使用编译好的通讯UDF设置三维模型的边界；S2，完成三维模型的构建后，在Modelica建模仿真软件运行端中编写外部函数调用通讯代码程序，并将外部函数封装为通讯模型，并构建一维模型；S3，完成一维模型、三维模型后，进行联合仿真，仿真过程中一维模型、三维模型数据实时交换，至此实现一维模型、三维模型的联合仿真。本发明实现了三维设备模型多工况的仿真，能够对设备方案的评判提供更精准的数据。
Description
技术领域
本发明涉及核能装备仿真领域，更为具体的，涉及一种核能装备的联合仿真方法、设备、介质及系统。
背景技术
对于核能装备这种复杂系统，在系统设计阶段，需要相对宏观的考虑系统整体性能情况，一般会采用一维仿真方式来对系统进行分析，典型工具如SCtran02、RELAP5、CATHARE、APROS等，但这些工具软件存在如下缺点：1.封闭性较强，用户较难对其内部模型或功能进行修改与拓展，从而无法完全覆盖系统设计需求；2.软件的设计理念和方法大部分来源于上世纪八十、九十年代，具有一定的落后性，其应用效率很难适应当前型号任务快速研制的需求。
在详细设计阶段，需要对各个设备局部细节的性能进行评估校核，一般需要采用专业或三维仿真方式来加以分析，典型工具如FLICA、CRONOS、FLUENT等。然而，在实际装备研制过程中，仅仅通过独立开展系统一维仿真和关键设备专业仿真是很难摸清楚两者之间的相互影响关系。例如，在关键设备进行三维仿真时，往往会将外围系统进行简化，只给局部工况下的边界作为输入，那么，其所对应的结果也往往存在着一定的局限性，在系统大范围工作时，设备综合性能是否最优很难评判。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种核能装备的联合仿真方法、设备、介质及系统，解决了背景中的问题，实现了三维设备模型多工况的仿真，能够对设备方案的评判提供更精准的数据。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种核能装备的联合仿真方法，将一维Modelica模型和三维Fluent模型进行联合仿真，具体包括以下步骤：
S1，首先编写通讯代码程序，然后在Fluent软件运行端中编译通讯UDF，并构建三维模型，构建时使用编译好的通讯UDF设置三维模型的边界；
S2，完成三维模型的构建后，在Modelica建模仿真软件运行端中编写外部函数调用通讯代码程序，并将外部函数封装为通讯模型，并构建一维模型；
S3，完成一维模型、三维模型后，进行联合仿真，仿真过程中一维模型、三维模型数据实时交换，至此实现一维模型、三维模型的联合仿真。
进一步地，在步骤S1中，所述编写通讯代码程序包括子步骤：在Fluent中编写第一通讯代码程序，在Modelica建模仿真软件中编写第二通讯代码程序。
进一步地，在步骤S2中，所述在Modelica建模仿真软件中编写外部函数调用通讯代码程序具体为调用所述第二通讯代码程序。
进一步地，在步骤S3中，Modelica建模仿真软件与Fluent软件通过UDP通讯实现二者联合仿真。
进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：
S31，首先Modelica建模仿真软件启动仿真，发送第一步数据；
S32，初始化Fluent模型，然后执行DEFINE_ON_DEMAND宏，Fluent模型与Modelica模型建立通讯连接，并接收Modelica建模仿真软件发送过来的第一步数据；
S33，将接收到的第一步数据设置到Fluent求解的相关参数中，开始迭代求解；
S34，Fluent软件完成一个时间步长的计算，将当前步求解结果发送给Modelica建模仿真软件进行一次数据交换，然后Modelica建模仿真软件求解器也向前推进相同步长的计算；
S35，Modelica建模仿真软件将在步骤S34中交换后得到的第二步数据发送给Fluent软件，Fluent软件接收到数据开始第二步求解，并发送第二步计算结果给Modelica建模仿真软件，由此循环迭代；
S36，当计算到达仿真结束时刻时，Fluent软件求解完成；
S37，最后，执行DEFINE_ON_DEMAND宏，终止Modelica建模仿真软件通讯，Modelica建模仿真软件停止仿真。
一种核能装备的联合仿真设备，基于如上任一所述核能装备的联合仿真方法，还包括Fluent软件模块、Modelica建模仿真软件模块和通讯代码程序模块；
Fluent软件模块，用于构建三维模型和进行三维模块的仿真；
Modelica建模仿真软件模块，用于构建一维模型和进行一维仿真；
所述通讯代码程序模块为基于共享内存和UDP的通讯程序；
所述通讯代码程序模块包括第一通讯代码程序和第二通讯代码程序，且均用于实现数据的发送、接收和同步控制。
进一步地，所述Fluent软件模块包括通讯UDF模块、三维模型模块和三维仿真模块；
所述通讯UDF模块中，通过UDF接口调用所述通讯代码程序，从而实现Fluent和Modelica模型的通讯；
所述三维模型模块，用于构建三维模型，在构建三维模型时需要调用所述通讯UDF模块，用于设置三维模型的边界；
所述三维仿真模块，用于在Fluent仿真构建好的三维模型，在进行仿真时Fluent会调用通讯代码程序，从而实现三维仿真数据的接收和发送。
进一步地，所述Modelica建模仿真软件模块包括通讯模型模块、一维模型模块和一维仿真模块；
所述通讯模型模块，用于在Modelica建模仿真软件中编写外部函数时，调用第二通讯代码程序；
所述一维模型，用于构建一维模型，在构建时调用所述通讯模型模块；
所述一维仿真模块，在Modelica建模仿真软件中仿真所构建的一维模型，在进行仿真时Modelica建模仿真软件会调用通讯代码程序模块，实现一维仿真数据的接收和发送。
一种计算机可读存储介质，存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时，执行如上任一所述核能装备的联合仿真方法。
一种核能装备的联合仿真系统，包括如上所述的核能装备的联合仿真设备。
本发明的有益效果包括：
本发明解决了独立开展关键设备三维仿真时，设备三维仿真结果的边界工况单一，导致三维仿真结果的很局限，无法根据结果去评判设备的优劣性问题。通过引入一维仿真，将一维仿真出来的三维设备模型的边界实时传输到三维模型中，实现了三维设备模型多工况的仿真，对设备方案的评判提供了更精准的数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统组成示意图；
图2为本发明实施例的联合仿真流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1所示，为解决背景中的问题，本发明实施例又提供一种核能装备的联合仿真方法、设备、介质及系统。在具体实施时，具体提供一种Modelica与Fluent的联合仿真方法，实现一维Modelica模型和三维Fluent模型的联合仿真。
首先在编写通讯代码程序，然后在Fluent中编译通讯UDF，并构建三维模型，构建时使用编译好的UDF设置三维模型的边界；
完成三维模型的构建后，在Modelica建模仿真软件中编写外部函数调用通讯代码程序，并将外部函数封装为模型，并构建一维模型。
完成一、三维的模型后，进行联合仿真，仿真过程中一、三维模型数据会实时交换，至此实现了一、三维模型的联合仿真。
请参阅图1，本发明实施例的设备包括Fluent软件模块、Modelica建模仿真软件模块，通讯代码程序模块、通讯UDF模块、三维模型模块、三维仿真模块、通讯模型模块、一维模型模块、一维仿真模块。
Fluent软件模块，用于构建三维模型和进行三维模块的仿真。
Modelica建模仿真软件，用于构建一维模型和进行一维仿真。
通讯代码程序模块，基于共享内存和UDP的通讯程序，可实现数据的发送、接收、和同步控制。
通讯UDF，UDF为Fluent中提供的接口，即自定义用户接口函数。UDF提供的宏大致分为两类。一类是与Fluent执行流程相关的宏，对于这一类宏，用户只能在提供的宏中编写自己的函数，Fluent在求解过程中会在特定的时刻调用对应的宏执行用户编写的程序。另一类宏是与求解值有关，用户可以向调用普通函数一样调用它们，获取或设置Fluent求解的值。UDF的主要意义在于用户可以调整初始化设置、调整参数、设置边界条件等。通过UDF接口调用所述通讯代码程序，从而实现Fluent和Modelica模型的通讯。
三维模型模块，构建三维模型，在构建三维模型时需要调用所述通讯UDF，用于设置三维模型的边界。
三维仿真模块，在Fluent仿真构建好的三维模型，在进行仿真时Fluent会调用上述通讯代码程序，从而实现三维仿真数据的接收和发送。
通讯模型模块，在Modelica建模仿真软件中编写外部函数，调用所述通讯代码程序，并将所编写的外部函数封装模块。
一维模型，构建一维模型，在构建时需要调用通讯模型。
一维仿真模块，在Modelica建模仿真软件中仿真所构建的一维模型，在进行仿真时Modelica建模仿真软件会调用上述通讯代码程序，从而实现一维仿真数据的接收和发送。
在具体实施过程中，实现一、三维联合仿真的具体步骤如下：
(1)Fluent软件的操作步骤：
编写通讯组件：由于需要Fluent具备与Modelica通讯能力，需要将共享内存或UDP的通讯代码封装为动态库，在用Fluent的UDF加载此动态库来实现目的。具体步骤如下：在VS中新建一个空的Win32工程，新建一个头文件与源文件，将源文件的后缀名改成“.c”，因为目前UDF只支持C语言不支持C++。由于Fluent是64位的，因此也要将此动态库设置为x64工程。编写通讯代码，具体用到的通信协议可以根据需求来，如果在同一台电脑上使用共享内存，如果不在同一台电脑上使用UDP通信。编译生成动态链接库。
编译UDF：打开Fluent菜单[Define]-[Uder-Define]-[Functions]-[compiled…]，在弹出的对话框中[Sources Files]选择user_func.c文件，[HeaderFiles]中选择之前vs生成的动态库头的demo_fluent_communication.h文件，在LibraryName中填入本次编译生成的动态库名称libudf，然后点击Build编译，没有显示错误就点击Load，加载这个UDF。
调用UDF：打开fluent菜单[Define]-[Uder-Define]-[Functions Hooks…]，分别选择对应的UDF。
仿真：仿真之前需要进行相关的设置和初始化，具体的步骤如下：
设置边界条件：在侧边栏选择[Solution Setup]-[Boundary Conditions]-[Zone]-[inlet]，点击Edit，在弹出的对话框中[Mass Flow Rate(kg/s)]的下拉框中选择[udfFuncF_Profile]，即user_func.c中的定义边界流量的DEFINE_PROFILE宏。宏DEFINE_PROFILE(Func_Profile,thread,position)中的Func_Profile是可以随意指定的函数名，它还包含了两个自变量：thread和position，此宏用于定义边界条件。当为用户在Fluent操作界面设置Func_Profile，该函数即立刻被调用一次。因此如果函数内的执行内容有误，会造成Fluent无法设置边界条件函数，Fluent软件崩溃。
初始化：在侧边栏选择[Solution]-[Solution Initialization]-[Computefrom]选择Inlet，即选择从入口开始计算，然后点击Initialize初始化。在Modelica建模仿真软件与Fluent联合仿真中，Modelica建模仿真软件应当在Fluent端初始化之前启动仿真。在Fluent初始化之后，双方建立通信连接。随后Modelica建模仿真软件开始计算仿真第一步，之后等待Fluent完成一步仿真。
仿真设置：在侧边栏选择[Solution]-[Run Calculation],设置[Number ofIterations]，即设置迭代步数，设置[Timestepsize(s)]，即设置仿真步长。Fluent端与Modelica建模仿真软件端的仿真步长和仿真步数应当保持一致。
仿真运行：点击Calculate开始计算。
(2)Modelica建模仿真软件操作步骤：
编写通讯程序：Modelica可以调用外部的C代码和动态链接库，本发明实施例中使用C代码。具体步骤如下：在VS中新建一个空的Win32工程，新建一个头文件与源文件，将源文件的后缀名改成“.c”。编写通讯代码，通信协议需要跟Fluent端使用的保存一致。
编写外部函数：在Modelica建模仿真软件文本视图中，编写Function，调用C函数，具体步骤如下：添加输入输出变量，输入输出变量根据C函数中输入输出变量来添加。编写调用函数，在external"C"后面添加调用函数，函数名跟C函数一致。添加调用C文件，在annotation中添加Include子项，具体形式，如Include＝"#include\"useabc.c\""。添加引用路径，在annotation中添加IncludeDirectory子项，添加引用文件路径，具体形式如IncludeDirectory＝"modelica://ExternalFunctions/Resources/Include"。
编写通讯模型：在开发时，需要将通讯的外部函数封装为模型，形成通讯模型方便以后复用。
仿真：仿真之前需要对Modelica建模仿真软件进行相关设置。仿真设置，设置Modelica建模仿真软件的仿真步长和仿真步数与Fluent端一致，并且将Modelica建模仿真软件设置为实时仿真模式。
仿真运行：点击仿真按钮即可进行仿真。
本发明实施例在Modelica和Fluent软件的基础上，将Modelica建模仿真软件与Fluent软件是通过UDP通讯实现二者的联合仿真改进，具体步骤如下：
1)首先Modelica建模仿真软件启动仿真，发送第一步求解数据；
2)初始化Fluent模型，然后执行DEFINE_ON_DEMAND宏，Fluent模型与Modelica模型建立通讯连接，并接收Modelica建模仿真软件发送过来的第一步数据；
3)将接收到的数据设置到Fluent求解的相关参数中，开始迭代求解；
4)Fluent完成一个时间步长的计算，将当前步求解结果发送给Modelica建模仿真软件进行一次数据交换，然后Modelica建模仿真软件求解器也向前推进相同步长的计算；
5)Modelica建模仿真软件将第二步的数据发送给Fluent，Fluent接收到数据开始第二步求解，并发送第二步计算结果给Modelica建模仿真软件。由此循环迭代；
6)当计算到达仿真结束时刻时，Fluent求解完成。最后，执行DEFINE_ON_DEMAND宏，终止Modelica建模仿真软件通讯，Modelica建模仿真软件也停止仿真。
实施例1
一种核能装备的联合仿真方法，将一维Modelica模型和三维Fluent模型进行联合仿真，具体包括以下步骤：
S1，首先编写通讯代码程序，然后在Fluent软件运行端中编译通讯UDF，并构建三维模型，构建时使用编译好的通讯UDF设置三维模型的边界；
S2，完成三维模型的构建后，在Modelica建模仿真软件运行端中编写外部函数调用通讯代码程序，并将外部函数封装为通讯模型，并构建一维模型；
S3，完成一维模型、三维模型后，进行联合仿真，仿真过程中一维模型、三维模型数据实时交换，至此实现一维模型、三维模型的联合仿真。
实施例2
在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述编写通讯代码程序包括子步骤：在Fluent中编写第一通讯代码程序，在Modelica建模仿真软件中编写第二通讯代码程序。
实施例3
在实施例2的基础上，在步骤S2中，所述在Modelica建模仿真软件中编写外部函数调用通讯代码程序具体为调用所述第二通讯代码程序。
实施例4
在实施例1的基础上，在步骤S3中，Modelica建模仿真软件与Fluent软件通过UDP通讯实现二者联合仿真。
实施例5
在实施例1的基础上，在步骤S3中，包括子步骤：
S31，首先Modelica建模仿真软件启动仿真，发送第一步数据；
S32，初始化Fluent模型，然后执行DEFINE_ON_DEMAND宏，Fluent模型与Modelica模型建立通讯连接，并接收Modelica建模仿真软件发送过来的第一步数据；
S33，将接收到的第一步数据设置到Fluent求解的相关参数中，开始迭代求解；
S34，Fluent软件完成一个时间步长的计算，将当前步求解结果发送给Modelica建模仿真软件进行一次数据交换，然后Modelica建模仿真软件求解器也向前推进相同步长的计算；
S35，Modelica建模仿真软件将在步骤S34中交换后得到的第二步数据发送给Fluent软件，Fluent软件接收到数据开始第二步求解，并发送第二步计算结果给Modelica建模仿真软件，由此循环迭代；
S36，当计算到达仿真结束时刻时，Fluent软件求解完成；
S37，最后，执行DEFINE_ON_DEMAND宏，终止Modelica建模仿真软件通讯，Modelica建模仿真软件停止仿真。
实施例6
一种核能装备的联合仿真设备，基于如实施例1～实施例5中任一所述核能装备的联合仿真方法，还包括Fluent软件模块、Modelica建模仿真软件模块和通讯代码程序模块；
Fluent软件模块，用于构建三维模型和进行三维模块的仿真；
Modelica建模仿真软件模块，用于构建一维模型和进行一维仿真；
所述通讯代码程序模块为基于共享内存和UDP的通讯程序；
所述通讯代码程序模块包括第一通讯代码程序和第二通讯代码程序，且均用于实现数据的发送、接收和同步控制。
实施例7
在实施例6的基础上，所述Fluent软件模块包括通讯UDF模块、三维模型模块和三维仿真模块；
所述通讯UDF模块中，通过UDF接口调用所述通讯代码程序，从而实现Fluent和Modelica模型的通讯；
所述三维模型模块，用于构建三维模型，在构建三维模型时需要调用所述通讯UDF模块，用于设置三维模型的边界；
所述三维仿真模块，用于在Fluent仿真构建好的三维模型，在进行仿真时Fluent会调用通讯代码程序，从而实现三维仿真数据的接收和发送。
实施例8
在实施例6的基础上，所述Modelica建模仿真软件模块包括通讯模型模块、一维模型模块和一维仿真模块；
所述通讯模型模块，用于在Modelica建模仿真软件中编写外部函数时，调用第二通讯代码程序；
所述一维模型，用于构建一维模型，在构建时调用所述通讯模型模块；
所述一维仿真模块，在Modelica建模仿真软件中仿真所构建的一维模型，在进行仿真时Modelica建模仿真软件会调用通讯代码程序模块，实现一维仿真数据的接收和发送。
实施例9
一种计算机可读存储介质，存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时，执行如实施例1～实施例5中任一所述核能装备的联合仿真方法。
实施例10
一种核能装备的联合仿真系统，包括如实施例6所述的核能装备的联合仿真设备。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本申请的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种核能装备的联合仿真方法，其特征在于，将一维Modelica模型和三维Fluent模型进行联合仿真，具体包括以下步骤：
S1，首先编写通讯代码程序，然后在Fluent软件运行端中编译通讯UDF，并构建三维模型，构建时使用编译好的通讯UDF设置三维模型的边界；
S2，完成三维模型的构建后，在Modelica建模仿真软件运行端中编写外部函数调用通讯代码程序，并将外部函数封装为通讯模型，并构建一维模型；
S3，完成一维模型、三维模型后，进行联合仿真，仿真过程中一维模型、三维模型数据实时交换，至此实现一维模型、三维模型的联合仿真；
在步骤S1中，所述编写通讯代码程序包括子步骤：在Fluent中编写第一通讯代码程序，在Modelica建模仿真软件中编写第二通讯代码程序；
在步骤S2中，所述在Modelica建模仿真软件中编写外部函数调用通讯代码程序具体为调用所述第二通讯代码程序；
在步骤S3中，Modelica建模仿真软件与Fluent软件通过UDP通讯实现二者联合仿真；
在步骤S3中，包括子步骤：
S31，首先Modelica建模仿真软件启动仿真，发送第一步数据；
S32，初始化Fluent模型，然后执行DEFINE_ON_DEMAND宏，Fluent模型与Modelica模型建立通讯连接，并接收Modelica建模仿真软件发送过来的第一步数据；
S33，将接收到的第一步数据设置到Fluent求解的相关参数中，开始迭代求解；
S34，Fluent软件完成一个时间步长的计算，将当前步求解结果发送给Modelica建模仿真软件进行一次数据交换，然后Modelica建模仿真软件求解器也向前推进相同步长的计算；
S35，Modelica建模仿真软件将在步骤S34中交换后得到的第二步数据发送给Fluent软件，Fluent软件接收到数据开始第二步求解，并发送第二步计算结果给Modelica建模仿真软件，由此循环迭代；
S36，当计算到达仿真结束时刻时，Fluent软件求解完成；
S37，最后，执行DEFINE_ON_DEMAND宏，终止Modelica建模仿真软件通讯，Modelica建模仿真软件停止仿真。
2.一种核能装备的联合仿真设备，其特征在于，基于如权利要求1所述核能装备的联合仿真方法，还包括Fluent软件模块、Modelica建模仿真软件模块和通讯代码程序模块；
Fluent软件模块，用于构建三维模型和进行三维模块的仿真；
Modelica建模仿真软件模块，用于构建一维模型和进行一维仿真；
所述通讯代码程序模块为基于共享内存和UDP的通讯程序；
所述通讯代码程序模块包括第一通讯代码程序和第二通讯代码程序，且均用于实现数据的发送、接收和同步控制；
所述Fluent软件模块包括通讯UDF模块、三维模型模块和三维仿真模块；
所述通讯UDF模块中，通过UDF接口调用所述通讯代码程序，从而实现Fluent和Modelica模型的通讯；
所述三维模型模块，用于构建三维模型，在构建三维模型时需要调用所述通讯UDF模块，用于设置三维模型的边界；
所述三维仿真模块，用于在Fluent仿真构建好的三维模型，在进行仿真时Fluent会调用通讯代码程序，从而实现三维仿真数据的接收和发送；
所述Modelica建模仿真软件模块包括通讯模型模块、一维模型模块和一维仿真模块；
所述通讯模型模块，用于在Modelica建模仿真软件中编写外部函数时，调用第二通讯代码程序；
所述一维模型，用于构建一维模型，在构建时调用所述通讯模型模块；
所述一维仿真模块，在Modelica建模仿真软件中仿真所构建的一维模型，在进行仿真时Modelica建模仿真软件会调用通讯代码程序模块，实现一维仿真数据的接收和发送。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时，执行如权利要求1所述核能装备的联合仿真方法。
4.一种核能装备的联合仿真系统，其特征在于，包括如权利要求2所述的核能装备的联合仿真设备。
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