一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于多物理场框架的堆芯物理‑热工耦合模拟方法，能够将非基于多物理场框架开发的中子物理程序和热工水力程序集成到框架中，实现其在多物理场框架驱动下的物理‑热工耦合计算。步骤如下：1、在中子物理程序和热工水力程序中对堆芯和计算时间设置；2、在多物理场框架中建立堆芯网格；3、使用多物理场框架调用中子物理程序进行稳态计算，传递计算得到的功率；4、使用多物理场框架调用热工水力程序进行稳态计算，传递计算得到的热工水力参数；5、重复步骤3到步骤4直至燃料温度收敛；6、调用中子物理程序进行瞬态中子物理计算；7、调用热工水力程序进行瞬态热工水力计算；8、重复步骤6到步骤7完成所有时段的计算。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯设计与安全分析领域，具体涉及一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法。

背景技术

核反应堆是一个复杂的系统，涉及了热工水力、中子物理、力学等多个物理场，是一个多尺度、多物理场之间相互作用的系统。在以往计算技术不成熟、计算机不能满足核反应堆堆芯真实多物理场耦合计算需求时，反应堆的堆芯设计和热工水力安全性能分析通常采用解耦合的方式进行计算，即计算一种物理场时对其他相关的物理场采取保守假设。这种计算方式虽然能够保证计算结果的保守性，但是也在一定程度上牺牲了耦合计算的精度，不利于研究人员深入了解反应堆中真实发生的现象，也在一定程度上影响了核电经济性的提高。

随着计算机技术的快速发展和多物理场框架的广泛开发与应用，基于多物理场框架开展全堆芯、多尺度、多物理场的耦合计算越来越成为研究的热点。但是，在多物理场框架中开发新的堆芯仿真程序不仅会消耗很大的人力、物力，也会带来很多重复性工作，影响堆芯多物理场耦合研究研究的进展。因此，为了充分利用已有的堆芯仿真程序和减少在多物理场框架中开发新模块的时间，实现已有堆芯仿真程序在多物理场框架驱动下的耦合计算越来越具有必要性。

目前，尽管许多学者已经针对基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合计算进行了很多尝试，但是还没有通用且高效的方法能实现非基于多物理场框架开发的中子物理程序和热工水力程序的耦合计算；而且，在已经实现的基于多物理场框架的物理-热工耦合计算实例中，通常需要对中子物理程序和热工水力程序进行较大的改动，在计算过程中需要多次启动两个程序，不仅开发效率相对较低，也会降低物理-热工耦合计算的效率。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，需要提出一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法，该方法能够将非基于多物理场框架开发的中子物理程序和热工水力程序耦合到框架中，实现其在多物理场框架驱动下的物理-热工耦合计算。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法，能够实现中子物理程序和热工水力程序在多物理场框架驱动下的物理-热工耦合计算，包括如下步骤：

步骤1：按照中子物理程序和热工水力程序分别对核反应堆堆芯进行建模，根据计算需求设置两个程序的计算总时间和计算时间步长，为了确保计算结果的正确性，两个程序的计算总时间和计算时间步长完全相同；

步骤2：根据核反应堆堆芯结构，在多物理场框架中建立堆芯的网格，并设置多物理场框架的计算总时间和时间步长与中子物理程序、热工水力程序一致；

步骤3：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用中子物理程序进行稳态计算，得到核反应堆堆芯的功率，采用距离反比权重插值方法将得到的堆芯功率经多物理场框架中的网格传递到热工水力程序，令中子物理程序进入等待状态；距离反比权重插值方法的插值公式如下：

其中，x表示空间位置的坐标向量，u(x)表示位于空间位置的坐标向量x处数据的值，可以表示数据有核反应堆堆芯功率、冷却剂温度、冷却剂密度和核燃料温度，i＝1,2,…N表示用于进行插值计算的点，一般取N＝3，u

步骤4：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用热工水力程序进行稳态热工水力计算，将计算得到的冷却剂温度、冷却剂密度和核燃料温度用距离反比权重插值方法经多物理场框架中的网格传递到中子物理程序，令热工水力程序进入等待状态；

步骤5：重复步骤3到步骤4，当两次热工水力计算得到的最大核燃料温度变化值小于0.5K时，认为稳态计算达到收敛；

步骤6：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用中子物理程序进行T

步骤7：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用热工水力程序进行T

步骤8：重复步骤6到步骤7，直到完成所有规定时间段的瞬态计算。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.加入程序等待环节使得中子物理和热工水力程序只需要启动一次就能够完成物理-热工耦合计算，确保两个程序在完成当前时间步的计算后再将数据传递给多物理场框架，也极大减少了程序开发过程中对两个程序的改动。

2.实现程序在多物理场框架中的耦合后，不改变已有的中子物理程序和热工水力程序使用方式，耦合后的两个程序依旧能按照原有的设置进行计算。

3.充分利用了已经开发好的中子物理程序和热工水力程序，避免了在多物理场框架中集成外部程序时需要对外部程序进行较大改动的问题，也极大地减少了多物理场框架中开发新模块的工作量。

4.耦合后的程序可以使用多物理场框架的所有前后处理工具、时间步长控制和数据传递功能，因此用户在开发过程中只需要关注程序本身的修改和网格数据映射，简化了用户在多物理场框架中集成外部程序的流程。

5.耦合成功之后的中子物理和热工水力程序不仅能够在多物理场框架中实现耦合计算，而且也能和其他基于多物理场框架开发的程序进行耦合计算，实现核反应堆堆芯的多物理场耦合计算。

6.本发明方法适用于当前大多数核反应堆堆芯中子物理程序如OPENMC、点堆程序和热工水力程序如COBRA-TF、COBRA-EN和RELAP5在多物理场框架下的耦合计算

7.本发明方法不仅适用于在多物理场框架中耦合已有的核反应堆中子物理和热工水力程序，也适用于其他堆芯仿真程序与多物理场框架的耦合。

附图说明

图1为在多物理场框架中的堆芯物理-热工耦合计算流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法，能够实现已有的中子物理程序和热工水力程序在多物理场框架驱动下的物理-热工耦合计算，具体方法如下：

步骤1：按照中子物理程序和热工水力程序的说明书分别对核反应堆堆芯进行建模，根据计算需求设置两个程序的计算总时间和计算时间步长，为了确保计算结果的正确性，两个程序的计算总时间和计算时间步长完全相同；

步骤2：根据核反应堆堆芯结构，在多物理场框架中建立堆芯的网格，并设置多物理场框架的计算总时间和时间步长与中子物理程序、热工水力程序一致；

步骤3：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用中子物理程序进行稳态计算，得到核反应堆堆芯的功率，采用距离反比权重插值方法将得到的堆芯功率经多物理场框架中的网格传递到热工水力程序，令中子物理程序进入等待状态；距离反比权重插值方法的插值公式如下：

其中，x表示空间位置的坐标向量，u(x)表示位于空间位置的坐标向量x处数据的值，可以表示数据有核反应堆堆芯功率、冷却剂温度、冷却剂密度和核燃料温度，i＝1,2,…N表示用于进行插值计算的点，一般取N＝3，u

步骤4：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用热工水力程序进行稳态热工水力计算，将计算得到的冷却剂温度、冷却剂密度和核燃料温度用距离反比权重插值方法经多物理场框架中的网格传递到中子物理程序，令热工水力程序进入等待状态；

步骤5：重复步骤3到步骤4，当两次热工水力计算得到的最大核燃料温度变化值小于0.5K时，认为稳态计算达到收敛；

步骤6：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用中子物理程序进行T

步骤7：使用多物理场框架的应用程序编程接口调用热工水力程序进行T

步骤8：重复步骤6到步骤7，直到完成所有规定时间段的瞬态计算。

本发明提出的一种基于多物理场框架的堆芯物理-热工耦合模拟方法，能够在多物理耦合框架中实现已有的核反应堆堆芯中子物理程序和热工水力程序的耦合计算。该方法还可以用于其他反应堆仿真程序在多物理场框架中的耦合计算。同时，这一方法不受仿真程序所属领域和多物理场框架本身的限制，其他领域的程序与多物理场框架的集成、程序在不同类型的多物理场框架中的集成都能采用本发明中所使用的思路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。