CN117494596A

CN117494596A - 船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法及系统

Info

Publication number: CN117494596A
Application number: CN202311406665.8A
Authority: CN
Inventors: 潘炎; 张文金; 施压光; 李冠群; 宫大鑫
Original assignee: 719th Research Institute Of China State Shipbuilding Corp
Current assignee: 719th Research Institute Of China State Shipbuilding Corp
Priority date: 2023-10-26
Filing date: 2023-10-26
Publication date: 2024-02-02

Abstract

本发明公开一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法及系统，该方法包括：对船舶核动力二回路流体系统进行建模，将船舶核动力二回路流体系统抽象为边界、节点、流线三部分，并通过等熵焓降模型对核动力二回路流体系统中的汽轮发电机进行建模；对轴系进行建模，并定义船舶核动力二回路流体系统与轴系的交互接口及通信方式，分别对已建模的船舶核动力二回路流体系统和轴系进行单步仿真，并通过交互接口及通信方式进行交互。

Description

船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法及系统

技术领域

本发明属于船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真技术领域，更具体地，涉及一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法及系统。

背景技术

船舶核动力装置以原子核裂变能作为推进力。它包括核反应堆、为产生功率推动船舶前进所必须的有关设备以及提供装置正常运行，保证人员健康和安全不会造成危害的那些结构、系统和部件。二回路系统是将蒸汽的热能转化为机械能或电能的装置。核动力装置二回路流体网络仿真主要采用的是节点压力法，通过将管网中热工水力参数基本相同的连续区域划分为节点，节点之间的流量传递通过流线实现，最终将管网划分为由内部节点、边界节点、热构件等基本元素组成的流体网络。该方法仅关注宏观参数，因而具有计算量少，计算过程稳定且实时性好的特点。轴系是将饱和蒸汽轮齿轮机齿轮机组的机械能，主轴的主要功能是连接轴系各设备，将主汽轮齿轮机组的功率传递给推进器，并将推进力的推理借助推力轴承传递到船体，推动船舶前进或后退。

在实际仿真过程中，核动力装置二回路系统仿真轴系仿真一般是分离开的，不能准确地反映实际物理变化过程，因此需要对核动力装置二回路流体网络系统与轴系的联合仿真进行研究，在核动力装置运行过程中，来流速度、航速、当前转速对轴系转速大小会产生影响，从而导致汽轮齿轮机需求功率的改变，影响流网系统的汽轮齿轮机设备的转速。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，包括：

对船舶核动力二回路流体系统进行建模，将船舶核动力二回路流体系统抽象为边界、节点、流线三部分，并通过等熵焓降模型对核动力二回路流体系统中的汽轮发电机进行建模；

对轴系进行建模，并定义船舶核动力二回路流体系统与轴系的交互接口及通信方式，分别对已建模的船舶核动力二回路流体系统和轴系进行单步仿真，并通过交互接口及通信方式进行交互。

进一步的，根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程对核动力二回路流体系统进行建模。

进一步的，当流量值为正数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相同；

当流量值为负数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相反。

进一步的，分别对已建模的核动力二回路流体系统和电力系统进行单步仿真时，设置相同的单步步长。

进一步的，当轴系需求功率增大时，通过汽轮发电机转速控制器控制增大汽轮发电机进汽调节阀开度，从而增大汽轮发电机转速。

本发明还提出一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，包括：

建模模块，用于对船舶核动力二回路流体系统进行建模，将船舶核动力二回路流体系统抽象为边界、节点、流线三部分，并通过等熵焓降模型对核动力二回路流体系统中的汽轮发电机进行建模；

仿真模块，用于对轴系进行建模，并定义船舶核动力二回路流体系统与轴系的交互接口及通信方式，分别对已建模的船舶核动力二回路流体系统和轴系进行单步仿真，并通过交互接口及通信方式进行交互。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

实现二回路流网系统与轴系的联合求解，最终达到完整地描述核动力装置二回路流体网络系统以及轴系之间耦合变化的物理过程。

附图说明

图1是汽轮齿轮机建模示意图；

图2是汽轮机级组焓熵图；

图3是汽轮发电机进气调节阀控制示意图；

图4是协同仿真示意图；

图5是流网系统与轴系联合仿真过程示意图；

图6是本发明系统的结构图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，所述终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储介质和显示屏。其中，存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。

处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储介质内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储介质内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。

存储介质可以包括随机存储介质(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储介质(Read-Only Memory，ROM)。存储介质可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。

显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。

本发明公式中所有下角标只为了区分参数，并没有实际含义。

除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。

实施例1

步骤一：建立核动力装置二回路流体网络系统及其主要设备的仿真模型。其中，流体网络主要可以抽象为由边界、节点、流线三部分组成，流体网络系统的建立主要是基于三大守恒方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。

质量守恒方程：

式中，V_i——节点i的体积，m³；

ρ_i——节点i的平均密度，kg/m³；

D_ij——节点i与内部节点j之间的关联矩阵；

DE_ik——节点i与压力边界节点k之间的关联矩阵；

DF_im——节点i与流量边界节点m之间的关联矩阵；

G_ij——节点i流向节点j的流量值，kg/s；

GE_ik——节点i流向压力边界节点k的流量值，kg/s；

GF_im——节点i流向流量边界节点m的流量值，kg/s。

X，Y，Z分别为内部节点、压力边界节点、流量边界节点的数量，t为时间。

当流量值为正数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相同；当流量值为负数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相反。

能量守恒方程：

式中，h_i——内部节点i的比焓值，kJ/kg；

hE_k——压力边界节点k的比焓值，kJ/kg；

hF_m——流量边界节点m的比焓值，kJ/kg；

S_i——内部节点i与环境间的散热量，kJ/s；

M_i为第i个内部节点的质量，h_j为内部节点j的比焓值，hF为流量边界的比焓值。

动量守恒方程：

内部之间流线的动量守恒方程：

与压力边界相连的流线的动量守恒方程：

式中，I_ij,I_ik——内部节点之间的流线、与压力边界相连的流线的结构系数，MPa·s²/kg；

PE_k、P_i——压力边界节点、内部节点的压力值，MPa；

Hg、HEg——内部流线、压力边界流线上的重力压差，MPa；

f_ij、fE_ij——内部流线、压力边界流线上的阻力压降，MPa。

HEg_ik为内部节点i与压力边界节点k之间的重力压差；Hg_ij为内部节点i与内部节点j之间的重力压差；f_ij为内部节点i与内部节点之间的阻力压降；fE_ik为内部节点i与压力边界节点k之间的阻力压降。

汽轮齿轮机建模示意图如图1所示，采用等熵焓降模型，认为蒸汽在汽轮齿轮机中做功过程中熵值不变，如图2所示，汽轮齿轮机进口蒸汽参数压力值为P_in，比焓值为h_in，由物性查询可得入口蒸汽熵为：

S_in＝f(P_in,h_in) (3-31)

则出口焓值为：

h_out＝f(P_out,S) (3-32)

式中，h_out——汽轮齿轮机出口焓值，kJ；

P_out——汽轮齿轮机出口压力，MPa。

S——汽轮齿轮机入口熵，kg/s。

汽轮齿轮机发电机功率为：

W＝η·G·(h_out-h_in) (3-33)

式中，W——汽轮齿轮机功率，kW；

η——汽轮齿轮机效率。

G——汽轮齿轮机蒸汽流量，kg/s。

步骤二：建立轴系仿真模型。

式中，J——汽轮齿轮机的转动惯量，kg/㎡；

ω——汽轮齿轮机的转动角速度，rad/s

M_t——汽轮齿轮机上的主动力矩，N·M

M_f——汽轮齿轮机的摩擦阻力矩，包括主油泵阻力局、轴承摩擦力矩等，rad/s

根据

P＝Mω

则可将上式转化为

式中，P——汽轮齿轮机功率，kW；

n——汽轮齿轮机转速，r/min；

P_t——作用转子上的功，kW；

P_f为汽轮齿轮机克服阻力做的功，n为七轮齿轮机转速。

步骤三：定义核动力装置二回路流体网络系统与轴系的交互接口。在核动力装置运行过程中，二回路流体网络系统主要将产生的蒸汽，输送到汽轮齿轮机等用汽设备，转化成汽轮齿轮机组所需要的动力，在设计规定的蒸汽参数和蒸汽产量下提供所需要的机械能。汽轮齿轮机转速大小直接取决于轴系需求功率的大小，当轴系需求功率增大时，汽轮齿轮机转速需要增大，于是通过汽轮齿轮机转速控制器控制增大汽轮齿轮机进汽调节阀开度，从而增大汽轮齿轮机转速，反之同理，如图3所示。

步骤四：建立核动力装置二回路流体网络系统与轴系仿真之间的通信。以TCP/IP、websocket为基础，通过C/S架构实现核动力装置二回路系统客户端与电力系统客户端的协同仿真。如图4所示。

步骤五：进行核动力装置二回路流体网络与轴系的联合仿真。主要过程是首先分别进行流网系统单步仿真与轴系的单步仿真，此时两个系统的仿真步长应设置为相等，在分别完成两个系统的单独仿真后，基于通信以及定义好的系统接口进行系统间的数据交换，在进行下一步长仿真，联合仿真流程如图5所示。

具体的，另外，本发明通过设置以下模型对船舶核动力二回路流体系统和轴系进行联合建模，具体包括：

其中，ρ为流体密度，α为气相的体积分数，V为流速，t为时间，P为压力，τ为应力张量，g为重力，E为能量密度，κ为导热系数，T为温度，∈为能量源项，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ′为应力张量，F_inertial为惯性力，F_coriolis为科里奥利力，F_damping为阻尼力，M为质量矩阵，x为位移，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，F_external为外部激励力，J为惯性矩阵，θ为扭矩角度，D为阻尼矩阵，K_θ为扭矩刚度，T_external为外部扭矩。

实施例2

如图6所示，本发明还提出一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，包括：

具体的，根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程对核动力二回路流体系统进行建模。

具体的，当流量值为正数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相同；

具体的，分别对已建模的核动力二回路流体系统和电力系统进行单步仿真时，设置相同的单步步长。

具体的，当轴系需求功率增大时，通过汽轮发电机转速控制器控制增大汽轮发电机进汽调节阀开度，从而增大汽轮发电机转速。

实施例3

本发明实施例还提出一种存储介质，存储有多条指令，所述指令用于实现所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中。

可选地，在本实施例中，存储介质被设置为存储用于执行以下步骤的程序代码：对船舶核动力二回路流体系统进行建模，将船舶核动力二回路流体系统抽象为边界、节点、流线三部分，并通过等熵焓降模型对核动力二回路流体系统中的汽轮发电机进行建模；

实施例4

本发明实施例还提出一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法。

具体的，本实施例的电子设备可以是计算机终端，所述计算机终端可以包括：一个或多个处理器、以及存储介质。

其中，存储介质可用于存储软件程序以及模块，如本发明实施例中的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，对应的程序指令/模块，处理器通过运行存储在存储介质内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法。存储介质可包括高速随机存储介质，还可以包括非易失性存储介质，如一个或者多个磁性存储系统、闪存、或者其他非易失性固态存储介质。在一些实例中，存储介质可进一步包括相对于处理器远程设置的存储介质，这些远程存储介质可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

处理器可以通过传输系统调用存储介质存储的信息及应用程序，以执行以下步骤：对船舶核动力二回路流体系统进行建模，将船舶核动力二回路流体系统抽象为边界、节点、流线三部分，并通过等熵焓降模型对核动力二回路流体系统中的汽轮发电机进行建模；

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的几个实施例中，应所述理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者所述技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，所述计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储介质(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储介质(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，其特征在于，根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程对核动力二回路流体系统进行建模。

3.如权利要求1所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，其特征在于，当流量值为正数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相同；

4.如权利要求1所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，其特征在于，分别对已建模的核动力二回路流体系统和电力系统进行单步仿真时，设置相同的单步步长。

5.如权利要求1所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真方法，其特征在于，当轴系需求功率增大时，通过汽轮发电机转速控制器控制增大汽轮发电机进汽调节阀开度，从而增大汽轮发电机转速。

6.一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，其特征在于，根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程对核动力二回路流体系统进行建模。

8.如权利要求6所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，其特征在于，当流量值为正数时，表示流体流动方向与脚标规定的方向相同；

9.如权利要求6所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，其特征在于，分别对已建模的核动力二回路流体系统和电力系统进行单步仿真时，设置相同的单步步长。

10.如权利要求6所述的一种船舶核动力二回路流体与运行姿态的联合仿真系统，其特征在于，当轴系需求功率增大时，通过汽轮发电机转速控制器控制增大汽轮发电机进汽调节阀开度，从而增大汽轮发电机转速。