CN117973029A - 基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法和设备，方法包括如下步骤：获取用于建模的反应堆数据；基于所述反应堆数据，利用建模软件实现反应堆三维模型的精细化建模，并对反应堆内的物理过程进行仿真；基于所述反应堆三维模型，在预先搭建好的虚拟现实环境中实现仿真结果的可视化及交互，其中，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真。与现有技术相比，本发明具有实现运行过程中的反应堆的直观展示、优化仿真效率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆监测技术领域，尤其是涉及一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法和设备。
背景技术
现有核电站数值反应堆安全监测依赖有限测点，关键位置监测不足。现行三维可视化多用平面显示，缺乏沉浸感，限制对反应堆状态的直观理解。
中国专利申请公开号CN106777832A公开了一种数字反应堆，通过将多专业过程仿真与设计与验证过程相结合，相互迭代，优化设计结果；采用多维化反应堆状态信息表达，反映反应堆设计结果的建造和工作情况。核能多专业过程仿真系统将设计工艺仿真、设备级三维仿真、核应急指挥与决策仿真三部分仿真功能集成到统一的仿真环境中进行综合仿真；设计与验证系统将根据核能多专业过程仿真系统的仿真结果和反应堆设计的限制条件，进行对比分析、设计参数修改、反馈、下一轮迭代仿真，直到满足限制条件；3D虚拟现实环境系统将核能多专业过程仿真系统的实时仿真数据叠加在预存的反应堆现实环境的三维模型上，以多维形式将反应堆的状态信息直观的呈现出来。
上述申请实现了反应堆设计及验证过程的可视化，然而，并没有解决反应堆运行过程中难以直观监测的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法和设备，以实现运行过程中的反应堆的直观展示和监测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的一个方面，提供了一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，包括如下步骤：
获取用于建模的反应堆数据；
基于所述反应堆数据，利用建模软件实现反应堆三维模型的精细化建模，并对反应堆内的物理过程进行仿真；
基于所述反应堆三维模型，在预先搭建好的虚拟现实环境中实现仿真结果的可视化及交互，
其中，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真。
作为优选的技术方案，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真的过程包括：
预先分别采用粗网格和细网格对反应堆三维模型内的区域进行划分，利用仿真软件分别得到粗网格和细网格对应的仿真计算结果，并建立两个仿真计算结果之间的映射关系；
在实际仿真中，采用粗网格对反应堆三维模型内的区域进行划分并得到对应的仿真计算结果，基于所述映射关系映射得到密网格下的仿真计算结果，实现反应堆内的物理过程的仿真。
作为优选的技术方案，所述反应堆数据包括反应堆的集合参数、材质参数、物理参数以及边界条件。
作为优选的技术方案，所述反应堆三维模型的构建过程包括：
通过三维绘图构建反应堆的几何模型，经过渲染后得到反应堆三维模型。
作为优选的技术方案，反应堆内的物理过程进行仿真的过程包括：
基于所述三维模型进行网格划分，根据获取到的测量数据，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真。
作为优选的技术方案，通过对仿真结果进行转换并输出至可视化硬件，实现仿真结果的可视化。
作为优选的技术方案，所述交互包括视角转换、距离远近变化和边界条件调整。
作为优选的技术方案，所述仿真结果包括仿真数据曲线。
本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)实现运行过程中的反应堆的直观展示：现有数值反应堆的三维可视化方法大多局限在显示器二维屏幕导致沉浸感不足，以及现有的核反应堆实时监测技术大多没有考虑到与数值仿真过程的结合，针对前述问题，本申请对反应堆内部的几何结构进行精细化建模，在实时仿真结果与三维精细化建模的结合的基础上，实现可视化，从而实现反应堆实际运行阶段的直观展示和监测。
(2)优化仿真效率：本申请采用粗网格到细网格的映射方法，以粗网格的较短计算时间就可以得到细网格的精细结果，将实时仿真与三维可视化结合，使得在往常由于计算量大而难以实现的“实时计算和显示”成为可能，适用于堆设计阶段的设计优化和反应堆的实时运行阶段的状态监测。
附图说明
图1为实施例中数值反应堆监测方法的流程示意图；
图2为实施例中数值反应堆监测方法的数据处理过程的示意图；
图3为实施例中可视化设备中展示的界面的示意图；
图4为实施例中仿真的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
针对现有数值反应堆的三维可视化方法大多局限在显示器二维屏幕导致的沉浸感不足，以及现有的核反应堆实时监测技术大多没有考虑到与数值仿真过程的结合，而是仅仅是三维模型+测量点，使得许多无测点区域的状态无法确定的缺陷，本实施例提供了一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，通过收集与数值反应堆模型相关的几何与材质数据后使用三维建模软件进行精细化的几何建模，通过构建反应堆模型的虚拟现实环境，将建模数据转换格式后与虚拟现实环境结合，实现反应堆设备装配的三维可视化和交互操作。在建立的模型基础上使用仿真程序模拟反应堆内部的物理过程并得到模拟结果数据，并建立可视化图形界面以实时展示。
参见图1，本方法包括如下步骤：
步骤S1，数据收集整理：收集数值反应堆模型相关的几何与材质数据。
收集与数值反应堆模型相关的几何、材质、物理参数、边界条件数据，包括：(i)几何与装配数据、(ii)材质数据、(iii)反应堆材料的物理参数和(iv)边界条件数据。
其中，(i)几何与装配数据包括压力容器、蒸汽发生器、控制棒机械结构、燃料棒组件、主泵、管路等的具体尺寸和在反应堆内的具体位置。
(ii)材质数据包括各部件的颜色、光滑度、反光属性、纹理。
(iii)物理参数包括根据反应堆的设计方案得到的反应堆材料的导热率、壁面摩擦系数、中子吸收率。
(iv)边界条件数据包括：从反应堆的传感器得到的二次侧进出口温度、一次侧压力。
步骤S2，三维精细化建模：基于S1准备好的数据，使用三维建模软件进行精细化的几何建模。借助三维建模软件，根据设备的几何尺寸和空间布置信息，完成设备几何体的三维几何模型。在三维几何模型的基础上，构建仿真软件网格划分模型。在仿真软件网格划分模型基础上，借助仿真软件例如热工水力、中子物理的多物理场耦合模拟程序，实现对反应堆内部物理过程的模拟。
使用三维建模软件进行精细化的三维建模，具体操作包括：
S2.1，根据工程图纸，采用三维绘图软件UG添加基本几何元素，包括直线、圆、矩形等。通过平移、旋转、拉伸、拼接、扣减以及布尔运算构建设备模型，得到设备几何体的三维几何模型。
S2.2，在三维渲染软件Blender当中，添加表面材质信息得到三维渲染模型。
S2.3，将反应堆的三维渲染模型导入Unity3d虚拟现实引擎软件，进行虚拟现实程序的开发，得到一个虚拟现实程序。
步骤S3，数值模拟：使用核反应堆仿真软件，模拟反应堆内部的物理过程，包括中子行为、热传导、流体等。
根据所设定的边界条件与物理参数，模拟反应堆内部的物理过程，具体包括：
S3.1，模拟层级划分：根据反应堆不同的尺度，将模拟区域划分为：系统级、组件级、棒束级。后续分别采用RELAP5系统程序、子通道程序、CFD程序进行模拟。
S3.2，在设备几何体的三维几何模型的基础上分别进行网格划分，得到仿真软件网格划分模型。
S3.3，依据测量数据(即测量实际中的反应堆得到的数据，包括各测点的压力、温度、流量、设备功率)，确定仿真模型参数，并使用仿真软件进行模拟计算，得到仿真结果；对于计算量大、难以实时的CFD计算，使用粗网格到细网格的映射方法大幅度减少计算时间，实现接近实时计算。
具体的，对于理论上需要大量计算量的区域，事先分别用密网格和稀疏网格划分、采用同样的仿真程序分别进行计算，并将两种计算结果实现映射f。然后在实际计算时，只需要在该区域划分稀疏网格、计算得到结果x_LF、然后使用f(x_LF)映射得到等价的密网格结果，从而实现对仿真过程的优化加速。
步骤S4，数据转换与处理：将S2的建模数据和S3的数值模拟结果转换成可视化虚拟现实系统使用的格式。例如指定格式的三维模型、材质纹理贴图等等。
使用C#代码编写的图形界面程序，读取仿真结果的数据文件，并使用曲线对结果进行实时展示。
步骤S5，虚拟现实环境搭建：利用虚拟现实技术，构建一个逼真的虚拟现实环境，其中包括反应堆模型的三维场景。将包含设备几何信息、空间信息的三维建模软件文件，进一步地使用三维渲染软件，添加表面材质信息，得到三维渲染模型。借助虚拟现实引擎软件，编写反应堆模型的虚拟现实程序。在此基础上借助虚拟现实硬件视觉设备，实现人眼的虚拟现实视觉环境。
实现反应堆状态的三维可视化，操作者可以通过头戴式显示器、手柄、手势等，与可视化结果进行交互，包括视角转换、距离远近变化、边界条件调整等，并实时观察堆内状态的改变。具体包括：
S5.1，基于C#语言编写显示接口程序使得虚拟现实程序具备以下能力：根据仿真结果，将步骤5得到仿真结果转换成可视化虚拟现实系统使用的格式。场景中对应位置的材料能够而变化不同的颜色或状态，以展示当前仿真结果所代表的核反应堆状态。
S5.2，完成虚拟现实程序与虚拟现实硬件视觉设备的连接。
S6，数据可视化与交互：将前述转换后的数据与虚拟现实环境结合，实现反应堆状态的三维可视化，操作者可以通过头戴式显示器、手柄、手势等，与可视化结果进行交互。借助虚拟现实引擎，编写能够与仿真程序进行交互的显示接口程序。使得仿真程序的结果，经显示接口程序的转换，能够在硬件视觉设备上实时展现。
经过具体实际实验，以某型小型反应堆为例，参考其运行数据，通过本方法能够得到如图3所示，为三维精细化建模的虚拟现实展示。如图4为实施例效果图，所示，为实时展示仿真数据的可视化图形界面效果(数据曲线：图4中三条曲线从上到下依次为：堆芯出口温度、一次侧压力、主泵的转速)。
本方法对反应堆内部的几何结构进行精细化建模，在实时仿真结果与三维精细化建模的结合的基础上，实现可视化，因而可以适用于反应堆实际运行阶段的同时，使用粗网格到细网格的映射方法，以粗网格的较短计算时间就可以得到细网格的精细结果，将实时仿真与三维可视化结合，使得在往常由于计算量大而难以实现的“实时计算和显示”成为可能，适用于堆设计阶段的设计优化和反应堆的实时运行阶段的状态监测。
实施例2
参见图2，本实施例提供了一种实现如实施例1所述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的系统，包括：三维建模软件、三维渲染软件、虚拟现实引擎软件、虚拟现实硬件视觉设备、仿真软件、显示接口程序。
其中，三维建模软件根据设备的几何尺寸和空间布置信息，进行建模处理，得到设备几何体的三维几何模型；三维渲染软件根据设备几何体的三维几何模型，进行表面材质信息的添加处理，得到三维渲染模型；虚拟现实引擎软件根据三维渲染模型，进行考虑人双眼视觉效果的处理并加入互动功能，得到虚拟现实程序；虚拟现实硬件视觉设备根据虚拟现实程序的结果，进行显示，得到人眼的虚拟现实视觉环境。
网格划分单元将设备几何体的三维几何模型进行网格划分，处理成仿真软件能够进行计算的形式，得到仿真软件网格划分模型；仿真软件根据仿真软件网格划分模型、以及所设定的仿真模型参数，进行计算处理，得到仿真结果。显示接口程序根据仿真结果，进行格式转换的处理，将转换后的仿真结果数据呈现在人眼的虚拟现实视觉环境中。
需要说明的是，上述“三维建模软件、三维渲染软件、虚拟现实引擎软件、虚拟现实硬件视觉设备、仿真软件、图形界面、显示接口程序”也可以称为XX单元/模块，它们包括现有商用或开源的软硬件，以及自行开发的程序。
实施例3
本实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
实施例4
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取用于建模的反应堆数据；
基于所述反应堆数据，利用建模软件实现反应堆三维模型的精细化建模，并对反应堆内的物理过程进行仿真；
基于所述反应堆三维模型，在预先搭建好的虚拟现实环境中实现仿真结果的可视化及交互，
其中，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真。
2.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真的过程包括：
预先分别采用粗网格和细网格对反应堆三维模型内的区域进行划分，利用仿真软件分别得到粗网格和细网格对应的仿真计算结果，并建立两个仿真计算结果之间的映射关系；
在实际仿真中，采用粗网格对反应堆三维模型内的区域进行划分并得到对应的仿真计算结果，基于所述映射关系映射得到密网格下的仿真计算结果，实现反应堆内的物理过程的仿真。
3.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，所述反应堆数据包括反应堆的集合参数、材质参数、物理参数以及边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，所述反应堆三维模型的构建过程包括：
通过三维绘图构建反应堆的几何模型，经过渲染后得到反应堆三维模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，反应堆内的物理过程进行仿真的过程包括：
基于所述三维模型进行网格划分，根据获取到的测量数据，采用由粗网格到细网格的映射方法实现反应堆内的物理过程的仿真。
6.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，通过对仿真结果进行转换并输出至可视化硬件，实现仿真结果的可视化。
7.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，所述交互包括视角转换、距离远近变化和边界条件调整。
8.根据权利要求1所述的一种基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法，其特征在于，所述仿真结果包括仿真数据曲线。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述基于精细建模与虚拟现实的数值反应堆监测方法的指令。
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