CN116882253A - 基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质 - Google Patents

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CN116882253A CN202310967790.XA CN202310967790A CN116882253A CN 116882253 A CN116882253 A CN 116882253A CN 202310967790 A CN202310967790 A CN 202310967790A CN 116882253 A CN116882253 A CN 116882253A
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曾小康
丁吉
邓康杰
童秋实
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Nuclear Power Institute of China
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Abstract

本发明公开了一种基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质，属于核电装备系统建模领域，包括步骤：将传热热构件方程组模型进行划分处理，对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模；在完成传热热构件建模后，再采用实例化组件的形式与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用。本发明实现在一个传热热构件中用户可以根据需求选择不同边界条件包括对称、绝热、表面温度随时间变化、热流密度随时间变化及内热源随时间变化，不同几何结构及不同材料等对应不同仿真工况，同时还提高了计算效率和精度，提高了模型的可重用性、可拓展性。

Description

基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及核电装备系统建模领域，更为具体的，涉及一种基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质。
背景技术
热构件作为传热的基本元件通常在换热器中使用，描述不同温度下发生热接触的两种或者多种介质之间的传热过程。在核电装备这种复杂系统中，对热构件的功能提出了更高的要求。首先，考虑是否有内热源，内热源可以是电加热也可以是燃料元件加热，加热功率可以是定值也可以随时间变化；其次，考虑热构件的几何形状，有圆柱形、球形和平板形等；最后，考虑热构件的不同材料，如高级不锈钢、钛、钛钯合金等。
鉴于核电装备复杂系统本身对热构件功能要求高的特点，现有热构件建模方法的计算效率和精度均有待提高，且在模型的可重用性、可拓展性方面均有较大提升空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质，实现在一个传热热构件中用户可以根据需求选择不同边界条件包括对称、绝热、表面温度随时间变化、热流密度随时间变化及内热源随时间变化功能，实现不同几何结构及不同材料等对应不同仿真工况，提高了计算效率和精度，提高了模型的可重用性、可拓展性。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于Modelica的热构件建模方法，包括如下步骤：
将传热热构件方程组模型进行划分处理，对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模；
在完成传热热构件建模后，再采用实例化组件的形式与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用。
进一步地，所述对划分后的模型包括导热积分方程模型、边界模型、几何结构模型及材料介质模型；所述对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模，具体包括子步骤：
S1，构建导热积分方程模型，采用向前差分对导热方程进行离散，使用Grank-Nicholsol方法对导热方程进行求解；
S2，构建几何结构模型；
S3，构建材料介质模型；
S4，构建不同边界条件模型；
S5，将几何结构模型计算得到结构参数，材料介质模型计算的热导率及热容量，不同边界模型计算得到的热流密度导入离散之后的导热方程。
进一步地，在步骤S1中，具体包括子步骤：管壁对应于结构导热模型，按照需求划分节点，调用物性参数模型库，描述管壁的导热能力；
式中：k表示导热系数；s表示表层；S表示内热源；t表示时间；T表示温度；V表示积；x表示空间中x坐标；ρ表示体积热容；对方程(1)第一项的时间导数项进行向前近似差分可得：
上标n表示时间；表示第m个网格点处在tn时刻的温度，而/>表示第m个网格点在tn+1＝tn+Δt时刻的温度；
方程(1)第二项近似为：
在步骤S2中，所述构建几何结构方程具体包括子步骤：网格划分，用字母r，l表示热构件左右边界相对应的参量；δ为网格间距；
热构件采用交错网格方法进行离散；
对矩形几何体：
对圆管几何体：
对球形几何体：
对所有几何体：
上标v和s分别表示体积和表面梯度权重项；δm为使用考虑边界条件的热传导方程时所用的权重表面积。
进一步地，在步骤S3中，所述构建材料介质模型，包括子步骤：查找物性属性在不同温度点下的介质特性，构造温度——导热系数和温度——体积比热的一维线性插值表，按照温度从低到高排列；随着热构件中温度状态的变化，导热积分方程模型输出当地的温度，返回到物性参数模型得到更新后的物性参数传递给导热方程模型进行迭代计算；
在步骤S4中，所述构建不同边界条件模型，包括子步骤：
管外环境对应外侧界模型，描述管道与外界的对流换热；管内环境对应内侧边界模型，模拟管道模型；实现管道内和容器内流体与外界环境的热交换。
进一步地，所述热构件具有两个边界条件，称为外侧边界条件和内侧边界条件；每一个边界最多关联一个水力部件，热构件关联两个水力部件时，即外侧边界、内侧边界与不同的水力部件进行能量交换。
进一步地，沿所述热构件的厚度方向，即左右两个边界之间能够划分多个温度节点，节点间为网格间隔，每个间隔设置不同的材料和内热源。
进一步地，在边界条件模型中，对于不同使用工况，选择不同的边界条件，其中对流边界条件，绝热或对称边界条件，指定热流密度的边界条件，指定壁面温度条件。
进一步地，所述利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用，包括子步骤：
步骤1：基于NUMAP平台搭建传热热构件模型测例，测例模型包含流量入口组件、竖直管道模型组件、压力出口组件、传热热构件模型组件、恒温壁面边界组件、全局变量组件；
步骤2：设定初始边界条件，设定管径，管道长度，管道设置接管节点数量，入口气相流速，入口液相流速，入口温度，出口压力，温度在设定时间范围线性增大，增至设定值时保持不变；
步骤3：仿真设置，设置仿真时间，输出时间步长，采用Euler算法，计算精度；
步骤4：导出计算结果。
一种计算机设备，包括处理器和存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如上任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
一种可读存储介质，包括存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如上任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
本发明的有益效果包括：
本发明通过模型划分模块，将原传热热构件模型划分为导热积分方程模型、边界模型、几何结构模型及材料介质模型等，根据不同的应用场景，替换不同的模型模块，满足核电装备系统领域中对热构件模型功能多样化的需求。并且采用有限差分法对导热积分方程进行求解。在稳态计算时采用显式差分法，加快稳态计算收敛提高计算效率；在瞬态计算时采用隐式差分法，保证计算精确度。
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为本发明实施例的圆形管道热构件计算框图；
图2为本发明实施例的控内部网格点划分示意图；
图3为本发明实施例的边界网格点划分示意图；
图4为本发明实施例的基于NUMAP平台搭建传热热构件测试模型的示意图。
具体实施方式
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。
本发明技术方案提供一种基于Modelica的热构件建模方法、设备及介质。如图1所示，本发明技术方案的实施例之一，针对圆形管道，提供一种圆形管道热构件建模方法。本发明实施例构思中，在表现形式上，热构件的壁厚可以根据用户需求进行分层，如图3所示，且每一层都可以选择不同的材料。本发明技术方案的发明人经过创造性的思考后，提出在建立模型时将复杂的方程组模型分解为包含两流体六方程及不凝气体方程的主体方程组和包含各源项方程的本构方程组。在建立模型时，将复杂的方程组模型(即原传热热构件模型)划分为导热积分方程模型、边界模型、几何结构模型及材料介质模型等，通过模型划分，从而能够根据不同的应用场景，替换不同的模型模块，满足核电装备系统领域中对热构件模型功能多样化的功能需求。
在进一步的发明构思中，本发明实施例技术方案进一步考虑结合基于Modelica语言建模的优势，利用Modelica语言将热构件模型划分步骤中分解成的各子模型分别建模，进一步借助Modelica语言模块化建模优势，在实现上述多样化的功能需求的同时，在此基础上进一步实现模型重用和扩展。各子模型构建过程的详细实施步骤如下：
在本发明技术方案中热构件模型构建过程中，包括构建导热积分方程、构建几何结构方程。其中，构建导热积分方程，具体包括子步骤：管壁对应于结构导热模型，按照需求划分节点，调用物性参数模型库，描述管壁的导热能力。
式中：k表示导热系数；s表示表层；S表示内热源；t表示时间；T表示温度；V表示积；x表示空间中x坐标；ρ表示体积热容。对方程(1)第一项的时间导数项进行向前近似差分可得：
上标n表示时间；表示第m个网格点处在tn时刻的温度，而/>表示第m个网格点在tn+1＝tn+Δt时刻的温度。
方程(1)第二项可近似为：
其中，构建几何结构方程，具体包括子步骤：网格划分，图2代表典型的网格划分示意图，下标表示网格号；用字母r，l表示热构件左右边界相对应的参量；δ为网格间距，可以均匀分布也可以是不均匀的；在网格节点之间，介质材料可以相同也可以不同。
热构件采用交错网格方法进行离散，图2中虚线所表示的是网格内部中心点位置，图3中虚线所表示的是网格边界中心点位置。
对矩形几何体：
对圆管几何体：
对球形几何体：
对所有几何体：
上标v和s分别表示体积和表面梯度权重项；δm为使用考虑边界条件的热传导方程时所用的权重表面积。
热构件材料介质模型：热构件一般都是以金属为主的固体材料，其物性属性比较稳定，随外界压力变化较小，只需考虑其物性属性随温度变化。
查找物性属性在不同温度点下的介质特性，构造温度——导热系数(W/(m`K))和温度——体积比热容(kJ/(m3`K))的一维线性插值表，按照温度从低到高排列。随着热构件中温度状态的变化，导热积分方程模型输出当地的温度，返回到物性参数模型得到更新后的物性参数传递给导热方程模型进行迭代计算。
边界模型：管外环境对应外侧界模型，描述管道与外界的对流换热。管内环境对应内侧边界模型，模拟管道模型。实现管道内和容器内流体与外界环境的热交换。
(1)外侧边界的定解条件
为求解导热方程，应当给出合适的定解条件，构成对导热问题完整的数学描述，其包括初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界上温度和换热情况的边界条件。常见的边界条件可分为三类：①定壁温；②定热流密度；③定换热系数及周围流体温度。这三类边界条件均为时间相关边界，即将热流密度(或壁温)设置为与时间相关的变量或常量，其变化规律从外界输入。
1)定壁温边界。定壁温边界条件规定了边界上的温度值Tw1，称为第一类边界条件，即规定：
Tw1＝f1(t)
2)定热流密度。定热流密度边界条件规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件，即规定：
3)定换热系数及周围流体温度。该边界条件规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h1及外部边界温度T1(二者均为时间的已知函数)，称为第三类边界条件，即：
由此可根据三类边界条件，完成外侧边界与热构件管壁之间的换热。
(2)传热管壁和管道的换热
该问题属于对流换热，根据能量守恒，一侧流入传热管的热流密度等于另一侧流体带走的热流密度，即
其中，λ为导热系数，h2为管道壁面对流换热系数(壁面换热模块中计算得到)，T2为流体温度，Tw2为管道壁面温度。计算得到壁温Tw2会代入到管道的壁面换热模块中进行后续计算，由此可完成热构件的换热过程。
内热源模型：内热源模型描述管壁自身产热或电热、核中子反应加热等对管壁换热的影响。中子反应加热则需要关联点堆组件模型库。
在完成传热热构件建模后，采用实例化组件的形式与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，下面介绍采用热构件模型实例化的方式实施一个简单的系统仿真模型的构建过程。
在传热热构件模型实例化应用过程中，包括子步骤：
步骤1：基于NUMAP平台搭建传热热构件模型测例，测试模型图如图4所示，测例模型包含流量入口组件、竖直管道模型组件、压力出口组件、传热热构件模型组件、恒温壁面边界组件、全局变量组件。
步骤2：设定初始边界条件，管径0.02m，管道长度4m，管道设置接管节点数量4，入口气相流速0.1m/s，入口液相流速0.1m/s，入口温度457K，出口压力5Mpa，温度在10～60秒间线性增大，增至552K保持不变。
步骤3：仿真设置，仿真时间150s，输出时间步长0.01s，采用Euler算法，计算精度0.0001。
步骤4：导出计算结果，并在设置相同边界条件下与其他商用热工水力专业软件计算结果进行对比。结果发现，基于Modelica的两相流管道构建的系统模型仿真结果与其他商用专业热工水力计算结果几乎一致，误差范围小于5％。以此说明，本发明实施例方法能很好的应用于工业仿真建模项目，并且能借助Modelica语言模块化建模优势，实现了模型重用和扩展。
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
一种基于Modelica的热构件建模方法，包括如下步骤：
将传热热构件方程组模型进行划分处理，对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模；
在完成传热热构件建模后，再采用实例化组件的形式与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用。
实施例2
在实施例1的基础上，所述对划分后的模型包括导热积分方程模型、边界模型、几何结构模型及材料介质模型；所述对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模，具体包括子步骤：
S1，构建导热积分方程模型，采用向前差分对导热方程进行离散，使用Grank-Nicholsol方法对导热方程进行求解；
S2，构建几何结构模型；
S3，构建材料介质模型；
S4，构建不同边界条件模型；
S5，将几何结构模型计算得到结构参数，材料介质模型计算的热导率及热容量，不同边界模型计算得到的热流密度导入离散之后的导热方程。
实施例3
在实施例2的基础上，在步骤S1中，具体包括子步骤：管壁对应于结构导热模型，按照需求划分节点，调用物性参数模型库，描述管壁的导热能力；
式中：k表示导热系数；s表示表层；S表示内热源；t表示时间；T表示温度；V表示积；x表示空间中x坐标；ρ表示体积热容；对方程(1)第一项的时间导数项进行向前近似差分可得：
上标n表示时间；表示第m个网格点处在tn时刻的温度，而/>表示第m个网格点在tn+1＝tn+Δt时刻的温度；
方程(1)第二项近似为：
在步骤S2中，所述构建几何结构方程具体包括子步骤：网格划分，用字母r，l表示热构件左右边界相对应的参量；δ为网格间距；
热构件采用交错网格方法进行离散；对矩形几何体：
对圆管几何体：
对球形几何体：
对所有几何体：
上标v和s分别表示体积和表面梯度权重项；δm为使用考虑边界条件的热传导方程时所用的权重表面积。
实施例4
在实施例1的基础上，在步骤S3中，所述构建材料介质模型，包括子步骤：查找物性属性在不同温度点下的介质特性，构造温度——导热系数和温度——体积比热的一维线性插值表，按照温度从低到高排列；随着热构件中温度状态的变化，导热积分方程模型输出当地的温度，返回到物性参数模型得到更新后的物性参数传递给导热方程模型进行迭代计算；
在步骤S4中，所述构建不同边界条件模型，包括子步骤：
管外环境对应外侧界模型，描述管道与外界的对流换热；管内环境对应内侧边界模型，模拟管道模型；实现管道内和容器内流体与外界环境的热交换。
实施例5
在实施例1的基础上，所述热构件具有两个边界条件，称为外侧边界条件和内侧边界条件；每一个边界最多关联一个水力部件，热构件关联两个水力部件时，即外侧边界、内侧边界与不同的水力部件进行能量交换。
实施例6
在实施例1的基础上，沿所述热构件的厚度方向，即左右两个边界之间能够划分多个温度节点，节点间为网格间隔，每个间隔设置不同的材料和内热源。
实施例7
在实施例4的基础上，在边界条件模型中，对于不同使用工况，选择不同的边界条件，其中对流边界条件，绝热或对称边界条件，指定热流密度的边界条件，指定壁面温度条件。
实施例8
在实施例1的基础上，所述利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用，包括子步骤：
步骤1：基于NUMAP平台搭建传热热构件模型测例，测例模型包含流量入口组件、竖直管道模型组件、压力出口组件、传热热构件模型组件、恒温壁面边界组件、全局变量组件；
步骤2：设定初始边界条件，设定管径，管道长度，管道设置接管节点数量，入口气相流速，入口液相流速，入口温度，出口压力，温度在设定时间范围线性增大，增至设定值时保持不变；
步骤3：仿真设置，设置仿真时间，输出时间步长，采用Euler算法，计算精度；
步骤4：导出计算结果。
实施例9
一种计算机设备，包括处理器和存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如实施例1～实施例8任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
实施例10
一种可读存储介质，包括存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如实施例1～实施例8任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
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。
根据本发明实施例的一个方面，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，本发明实施例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 (10)

1.一种基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
将传热热构件方程组模型进行划分处理，对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模；
在完成传热热构件建模后，再采用实例化组件的形式与其它管道附件、组件使用连接器连接，组成仿真系统，利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用。
2.根据权利要求1所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，所述对划分后的模型包括导热积分方程模型、边界模型、几何结构模型及材料介质模型；所述对划分后的模型利用Modelica语言进行分别建模，具体包括子步骤：
S1，构建导热积分方程模型，采用向前差分对导热方程进行离散，使用Grank-Nicholsol方法对导热方程进行求解；
S2，构建几何结构模型；
S3，构建材料介质模型；
S4，构建不同边界条件模型；
S5，将几何结构模型计算得到结构参数，材料介质模型计算的热导率及热容量，不同边界模型计算得到的热流密度导入离散之后的导热方程。
3.根据权利要求2所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，在步骤S1中，具体包括子步骤：管壁对应于结构导热模型，按照需求划分节点，调用物性参数模型库，描述管壁的导热能力；
式中：k表示导热系数；s表示表层；S表示内热源；t表示时间；T表示温度；V表示积；x表示空间中x坐标；ρ表示体积热容；对方程(1)
第一项的时间导数项进行向前近似差分可得：
上标n表示时间；表示第m个网格点处在tn时刻的温度，而/>表示第m个网格点在tn+1＝tn+Δt时刻的温度；
方程(1)第二项近似为：
在步骤S2中，所述构建几何结构方程具体包括子步骤：网格划分，用字母r，l表示热构件左右边界相对应的参量；δ为网格间距；
热构件采用交错网格方法进行离散；
对矩形几何体：
对圆管几何体：
对球形几何体：
对所有几何体：
上标v和s分别表示体积和表面梯度权重项；δm为使用考虑边界条件的热传导方程时所用的权重表面积。
4.根据权利要求1所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，在步骤S3中，所述构建材料介质模型，包括子步骤：查找物性属性在不同温度点下的介质特性，构造温度——导热系数和温度——体积比热的一维线性插值表，按照温度从低到高排列；随着热构件中温度状态的变化，导热积分方程模型输出当地的温度，返回到物性参数模型得到更新后的物性参数传递给导热方程模型进行迭代计算；
在步骤S4中，所述构建不同边界条件模型，包括子步骤：
管外环境对应外侧界模型，描述管道与外界的对流换热；管内环境对应内侧边界模型，模拟管道模型；实现管道内和容器内流体与外界环境的热交换。
5.根据权利要求1所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，所述热构件具有两个边界条件，称为外侧边界条件和内侧边界条件；每一个边界最多关联一个水力部件，热构件关联两个水力部件时，即外侧边界、内侧边界与不同的水力部件进行能量交换。
6.根据权利要求1所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，沿所述热构件的厚度方向，即左右两个边界之间能够划分多个温度节点，节点间为网格间隔，每个间隔设置不同的材料和内热源。
7.根据权利要求4所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，在边界条件模型中，对于不同使用工况，选择不同的边界条件，其中对流边界条件，绝热或对称边界条件，指定热流密度的边界条件，指定壁面温度条件。
8.根据权利要求1所述的基于Modelica的热构件建模方法，其特征在于，所述利用组成的仿真系统进行传热热构件模型实例化应用，包括子步骤：
步骤1：基于NUMAP平台搭建传热热构件模型测例，测例模型包含流量入口组件、竖直管道模型组件、压力出口组件、传热热构件模型组件、恒温壁面边界组件、全局变量组件；
步骤2：设定初始边界条件，设定管径，管道长度，管道设置接管节点数量，入口气相流速，入口液相流速，入口温度，出口压力，温度在设定时间范围线性增大，增至设定值时保持不变；
步骤3：仿真设置，设置仿真时间，输出时间步长，采用Euler算法，计算精度；
步骤4：导出计算结果。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如权利要求1～8任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，包括存储器，在存储器中存储有程序指令，当程序指令被处理器加载运行时执行如权利要求1～8任一所述的基于Modelica的热构件建模方法。
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