一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，包括以下步骤：S1、使用Matlab/Simulink建立系统中涉氚子系统零维模型，对子系统流程连接形成整个系统的模型；S2、对于关键子系统，使用EcosimPro构建部件的一维氚输运模型，对部件连接形成该关键子系统的模型；S3、对于关键部件和关键立体空间，使用COMSOL Multiphysics构建二维和三维氚输运模型；S4、实现Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics三种不同维度氚输运模型在交接处的数据耦合；S5、使用Matlab/Simulink计算耦合后的整个系统的模型，形成实时动态仿真模拟。本发明专利技术针对现有氚输运分析软件使用中的不足和聚变氚循环与氚安全分析需求，将不同维度氚模拟分析软件的优势结合起来，有助于提升氚输运分析水平和提高评估准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法
本专利技术涉及能源
，特别涉及一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法。
技术介绍
核聚变能是解决人类能源问题的最重要途径之一。氚是聚变堆使用的重要燃料，然而它在自然界中几乎不存在。为保证珍贵的聚变燃料氘和氚的充分利用，聚变堆设计有大型的氚工厂，以实现对未燃烧的氘氚燃料和增殖氚的快速回收和再循环。另一方面，氚具有放射性和渗透性，极易通过燃料循环系统及相关部件的材料渗透与滞留，造成氚燃料的损失及潜在的放射性危害；渗透至手套箱和工艺厂房的氚，会对工作人员造成潜在的安全危害及不必要的损失。经过二三十多年的发展，国内外发展和采用适用于聚变堆氚输运的分析方法进行相关分析，并开发了相关的分析工具。经研究发现现有的方法和分析工具至少存在以下问题：氚输运分析程序彼此隔离1.1)国际热核实验堆计划(ITER)先后开发CFTSIM、TRIMO开展ITER燃料循环系统优化设计、ITER氚滞留量分析，但是没有看到在其他国家和项目中的应用。国内核工业西南物理研究院设计开发了氚燃料循环系统计算程序SWITRIM，仅针对特定聚变增殖堆FEB。核能安全技术研究所开发了氚分析程序TAS主要针对液态包层系统的氚自持性、氚燃料管理、氚安全性等一体化分析。国际上欧盟、日本、美国也都发展了各自程序和方法模型。这些程序均为零维氚输运程序，采用系统动力学方法，将每个子系统作为一个block，每个block作为一个节点进行建模，因此各子系统只能得到平均化的物理量。聚变堆氚工厂中每个系统具有复杂的工艺组成和空间布局，对于氚工厂各系统设计分析尤其安全分析时，仅仅知道系统平均化的氚物理量是远远不够的。1.2)为安全分析需求，ITER使用专业程序TMAP(TritiumMigrationAnalysisProgram)模拟聚变堆在正常运行时氚注入/渗透通过部件进入冷却剂回路和房间的行为，在事故期间模拟氢同位素的迁移等。该程序由美国爱达荷国家实验室(INL)开发，其发展初衷是并不是为了聚变，后被聚变界用来研究氚在聚变堆材料中的行为。该软件为聚变领域公认的氚输运分析软件。TMAP为一维氚输运软件，对于子系统的氚输运过程相对零维系统更加细致，但在描述高度各向异性的复杂几何模型时存在缺陷。1.3)聚变领域也借助CFD软件如ANSYS/Fluent和FLOW-3D等对聚变堆涉氚部件和手套箱/工艺房间开展多维氚输运研究。CFD将原来时间域及空间域上连续物理量的场离散化，然后通过数值计算求解流体运动基本方程(如质量、动量、能量方程等)，得到流场内各个位置上的基本物理量及其随时间变化的关系。Fluent软件是目前市场上最流行的CFD软件。FLOW-3D是FlowScience于1980年开发的一款高精度计算流体动力学软件，用于研究各种工业应用和物理过程中液体、气体的动态特性和传热。上述软件考虑二维或三维空间维度，因此可描述复杂几何模型时的氚输运，但受硬件和计算资源限制，仅用于聚变堆局部部件或空间的氚输运模拟计算。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术旨在提出一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，将不同维度氚模拟分析软件的优势结合起来，助力提升氚输运分析水平和提高评估准确度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，该方法包括以下步骤：S1、使用Matlab/Simulink建立系统中涉氚子系统零维模型，对子系统流程连接形成整个系统的模型；S2、对于关键子系统，使用EcosimPro构建部件的一维氚输运模型，对部件连接形成该关键子系统的模型；S3、对于关键部件和关键立体空间，使用COMSOLMultiphysics构建二维和三维氚输运模型；S4、实现Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics三种不同维度氚输运模型在交接处的数据耦合；S5、使用Matlab/Simulink计算耦合后的整个系统的模型，形成实时动态仿真模拟。进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：对系统中氚输运流程进行剖析，分析确定涉氚途径；S12：基于Matlab/Simulink平台，将系统中各涉氚子系统均简化成一个block节点；S13：为系统各涉氚子系统建立质量流动模型；S14：构建氚子系统连接关系，在Matlab/Simulink平台联立得到系统氚输运的仿真方程组。进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21：确定关键子系统；S22：使用EcosimPro的有限差分法，对关键子系统进行半离散化处理，对关键子系统中各部件的空间导数项进行离散，时间导数项保持其连续形式；S23：按照氚输运流程，将各部件模型连接形成该关键子系统的一维氚输运模型。进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31：确定关键部件和关键立体空间；S32：使用COMSOLMultiphysics生成关键部件/空间的二维或三维模型；S33：使用COMSOLMultiphysics将关键部件/空间计算区域划分成单元子区域，求解得到氚在关键部件/空间中的氚输运速度场、氚浓度场、氚通量随时间变化的二维或三维信息。进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41：将S2中EcosimPro建立的关键子系统的一维模型，替换S1中Matlab/Simulink建立的该子系统的零维模型；S42：将S3中COMSOLMultiphysics建立的关键部件/空间的模型，替换S1中建立的零维模型或S2中建立的一维模型；S43：Matlab/Simulink中以M文件格式编写的S-function分别将Matlab/Simulink建立的零维模型连接到EcosimPro建立的关键子系统的一维模型和COMSOLMultiphysics建立的关键部件/空间的二维/三维模型和求解器。进一步的，所述步骤S5具体为：Matlab/Simulink通过调用S-function将不同维度氚输运分析程序的模型编译形成整个系统的仿真模型，MATLAB的M文件中对参数进行初始化，模型中每个控制体的氚物理量的变化按照氚流动方向依次求解，所述控制体为block节点或子系统或部件或空间；通过Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics输出和展示氚输运分析结果。进一步的，所述S12中的各涉氚子系统包括SDS、FS、Plasma、Divertor、Pump、TEP、Blankets、TES、Coolant、CPS、ISS-1、ISS-2、DS以及WDS，所述S13中的质量流动模型为：基于考虑系统氚滞留并采用平均滞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/nS1、使用Matlab/Simulink建立系统中涉氚子系统零维模型，对子系统流程连接形成整个系统的模型；/nS2、对于关键子系统，使用EcosimPro构建部件的一维氚输运模型，对部件连接形成该关键子系统的模型；/nS3、对于关键部件和关键立体空间，使用COMSOL Multiphysics构建二维和三维氚输运模型；/nS4、实现Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOL Multiphysics三种不同维度氚输运模型在交接处的数据耦合；/nS5、使用Matlab/Simulink计算耦合后的整个系统的模型，形成实时动态仿真模拟。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、使用Matlab/Simulink建立系统中涉氚子系统零维模型，对子系统流程连接形成整个系统的模型；
S2、对于关键子系统，使用EcosimPro构建部件的一维氚输运模型，对部件连接形成该关键子系统的模型；
S3、对于关键部件和关键立体空间，使用COMSOLMultiphysics构建二维和三维氚输运模型；
S4、实现Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics三种不同维度氚输运模型在交接处的数据耦合；
S5、使用Matlab/Simulink计算耦合后的整个系统的模型，形成实时动态仿真模拟。


2.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：对系统中氚输运流程进行剖析，分析确定涉氚途径；
S12：基于Matlab/Simulink平台，将系统中各涉氚子系统均简化成一个block节点；
S13：为系统各涉氚子系统建立质量流动模型；
S14：构建氚子系统连接关系，在Matlab/Simulink平台联立得到系统氚输运的仿真方程组。


3.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：确定关键子系统；
S22：使用EcosimPro的有限差分法，对关键子系统进行半离散化处理，对关键子系统中各部件的空间导数项进行离散，时间导数项保持其连续形式；
S23：按照氚输运流程，将各部件模型连接形成该关键子系统的一维氚输运模型。


4.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：确定关键部件和关键立体空间；
S32：使用COMSOLMultiphysics生成关键部件/空间的二维或三维模型；
S33：使用COMSOLMultiphysics将关键部件/空间计算区域划分成单元子区域，求解得到氚在关键部件/空间中的氚输运速度场、氚浓度场、氚通量随时间变化的二维或三维信息。


5.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41：将S2中EcosimPro建立的关键子系统的一维模型，替换S1中Matlab/Simulink建立的该子系统的零维模型；
S42：将S3中COMSOLMultiphysics建立的关键部件/空间的模型，替换S1中建立的零维模型或S2中建立的一维模型；
S43：Matlab/Simulink中以M文件格式编写的S-function分别将Matlab/Simulink建立的零维模型连接到EcosimPro建立的关键子系统的一维模型和COMSOLMultiphysics建立的关键部件/空间的二维/三维模型和求解器。


6.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：Matlab/Simulink通过调用S-function将不同维度氚输运分析程序的模型编译形成整个系统的仿真模型，MATLAB的M文件中对参数进行初始化，模型中每个控制体的氚物理量的变化按照氚流动方向依次求解，所述控制体为block节点或子系统或部件或空间；通过Matlab/Simulink、EcosimPro、COMSOLMultiphysics输出和展示氚输运分析结果。


7.根据权利要求2所述的基于Matlab/Simulink实现不同维度氚输运模型耦合计算的方法，其特征在于，所述S12...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海霞，魏世平，梅华平，张思纬，韩锦程，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34