一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法技术

一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，通过对聚变堆包层的几何信息建立聚变堆包层的三维CAD模型，生成有限元中子输运程序的非结构网格和计算流体力学程序的非结构网格，运行有限元中子输运程序得到聚变堆包层的氚增殖比、中子通量的空间分布、核热能量沉积的空间分布，利用计算流体力学程序的非结构网格的插值模块将核热能量沉积空间分布作为热源，提供给计算流体力学程序，计算出聚变堆包层的温度场和流场；本发明专利技术核热耦合计算方法具有任意几何适应性，网格划分方式自由，鲁棒性好，计算速度快，可以精确地模拟聚变堆包层的中子学和热工水力学行为，为聚变堆包层方案提供了高效可靠的设计及校验方法。包层方案提供了高效可靠的设计及校验方法。包层方案提供了高效可靠的设计及校验方法。

A unified three-dimensional model of fusion reactor cladding and unstructured grid nuclear thermal coupling calculation method

【技术实现步骤摘要】
一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法


[0001]本专利技术涉及聚变堆包层设计和核反应堆物理计算领域，具体涉及一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法。

技术介绍

[0002]为了设计出安全可靠的聚变堆包层，需要对聚变堆包层进行精确的中子学和热工水力学耦合计算，简称核热耦合计算。所谓核热耦合计算，首先对聚变堆包层进行中子输运计算，获得聚变堆包层的中子学计算结果，包括氚增殖比、中子通量分布和核热沉积分布。然后将中子学计算得到的核热沉积分布作为热源输入，进行热工水力学计算，获得聚变堆包层的热工水力学结果，包括冷却剂流量分布、冷却剂压力分布和材料温度分布。
[0003]聚变堆包层的几何结构非常复杂，为了减少或避免几何模型上的近似，聚变堆包层的中子学计算大多采用基于组合几何实体的蒙特卡罗方法计算，聚变堆包层的热工水力学计算大多采用计算流体力学方法计算。
[0004]一方面，在利用蒙特卡罗方法进行聚变堆包层的中子学计算过程中，需要将聚变堆包层的CAD模型转化为组合实体几何模型，该过程需要采用人工或转换程序进行，存在难以处理复杂模型、易于出错、效率较低的问题。另一方面，蒙特卡罗计算效率低。此外，蒙特卡罗基于结构网格进行统计核热，而热工水利学计算是基于非结构网格，传递变量会损失精度。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，克服基于蒙特卡罗方法和计算流体力学方法的聚变堆包层核热耦合方法效率低、近似大、精度差的缺点，有限元中子输运方法具有计算效率高、可获得分布量、易于多物理耦合的优点，但通常的确定论方法大多采用结构网格，难以处理聚变堆包层等结构复杂的模型对象。而有限元方法则可以利用非结构网格方便快速地处理任意形状的几何模型，获得准确的中子通量密度空间分布结果。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案予以实施：
[0007]一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：针对所需计算的聚变堆包层，根据该聚变堆包层的几何信息建立聚变堆包层的三维CAD模型；
[0009]步骤2：针对步骤1建立的聚变堆包层的三维CAD模型，分别生成有限元中子输运程序的非结构网格和计算流体力学程序的非结构网格；
[0010]步骤3：基于步骤2生成的有限元中子输运程序的非结构网格，指定有限元中子输运程序的输入信息并进行计算，输入信息包括聚变堆包层的三维CAD模型的材料分布信息、材料的中子学截面、有限元基函数的类型和展开阶数、收敛误差限、离散纵标的角度展开阶数、聚变堆包层的三维CAD模型的边界条件类型和中子源的分布等，采用有限元中子输运程
序计算得到聚变堆包层的氚增殖比、中子通量的空间分布、核热沉积的空间分布；
[0011]步骤4：利用步骤3获得的核热沉积的空间分布，通过计算流体力学程序的非结构网格的插值模块，映射到通过步骤2获得的计算流体力学程序的非结构网格，获得计算流体力学程序的非结构网格上的核热沉积的空间分布；
[0012]步骤5：将步骤4获得的计算流体力学程序的非结构网格上的核热沉积的空间分布作为热源，基于步骤2获得的计算流体力学程序的非结构网格，通过指定计算流体力学程序的输入信息进行计算，输入信息包括聚变堆包层的三维CAD模型的材料分布信息、材料物性、冷却剂进出口压力、温度和流速，采用计算流体力学程序计算得到聚变堆包层的温度场和流场信息。
[0013]与现有技术相比，本专利技术有如下突出优点：
[0014]本专利技术核热耦合计算方法利用有限元确定论中子输运程序进行中子学计算，和蒙特卡罗
‑
热工耦合对比：1.三维CAD模型生成非结构网格较为成熟，鲁棒性好，而三维CAD模型生成构造实体几何容易出错；2.有限元效率更高；3.蒙特卡罗和热工耦合是基于结构网格，传递核热等数据会损失精度，有限元的非结构网格和热工网格一致，传递数据不会损失精度。
附图说明
[0015]图1是本专利技术方法流程图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。
[0017]具体步骤如图1所示。本专利技术是一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，采取如下的技术方案予以实施：
[0018]一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，包括如下步骤：
[0019]步骤1：针对所需计算的聚变堆包层，根据该聚变堆包层的几何信息建立聚变堆包层的三维CAD模型；
[0020]步骤2：针对步骤1建立的聚变堆包层的三维CAD模型，生成有限元中子输运程序的非结构网格和计算流体力学程序的非结构网格；
[0021]步骤3：基于步骤2生成的有限元中子输运程序的非结构网格，指定有限元中子输运程序的输入信息并进行计算，输入信息包括聚变堆包层的三维CAD模型的材料分布信息、相关材料的中子学截面、有限元基函数的类型和展开阶数、收敛误差限、离散纵标的角度展开阶数、聚变堆包层的三维CAD模型的边界条件类型和中子源的分布等，运行有限元中子输运程序得到聚变堆包层的氚增殖比、中子通量的空间分布、核热沉积的空间分布；；
[0022]步骤4：利用步骤3获得的核热沉积的空间分布，通过计算流体力学程序的非结构网格的插值模块，以点
‑
点插值法为例：
[0023]S
T,i
＝S
N,j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0024]其中i为计算流体力学程序的非结构网格中心点，j为有限元中子输运程序的非结构网格中心点。即计算流体力学程序的非结构网格中心点的功率密度S
T,i
取映射到其网格上的距离该点最近的有限元中子输运程序的非结构网格中心点的功率密度S
N,j
，以此获得
计算流体力学程序的非结构网格上的核热沉积的空间分布；
[0025]步骤5：将步骤4获得的计算流体力学程序的非结构网格上的核热沉积的空间分布作为热源，基于步骤2获得的计算流体力学程序的非结构网格，通过指定计算流体力学程序的输入信息进行计算，输入信息包括聚变堆包层的三维CAD模型的材料分布信息、材料物性、冷却剂进出口压力、温度和流速，运行计算流体力学程序得到聚变堆包层的温度场和流场信息。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚变堆包层统一三维模型非结构网格核热耦合计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：针对所需计算的聚变堆包层，根据该聚变堆包层的几何信息建立聚变堆包层的三维CAD模型；步骤2：针对步骤1建立的聚变堆包层的三维CAD模型，生成有限元中子输运程序的非结构网格和计算流体力学程序的非结构网格；步骤3：基于步骤2生成的有限元中子输运程序的非结构网格，指定有限元中子输运程序的输入信息并进行计算，输入信息包括聚变堆包层的三维CAD模型的材料分布信息、材料的中子学截面、有限元基函数的类型和展开阶数、收敛误差限、离散纵标的角度展开阶数、聚变堆包层的三维CAD模型的边界条件类型和中子源的分布，采用有限元中子...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹良志，戴涛，李艺飞，贺清明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：