一种基于反距离加权插值的核热强耦合方法与流程

技术特征：
1.一种基于反距离加权插值的核热强耦合方法，其特征在于：使用有限容积法求解三维流体力学方程并使用蒙特卡罗方法求解三维中子输运方程；通过构建流体力学细网格模型以及蒙特卡罗方法输运计算粗网格模型，考虑冷却剂温度、燃料温度对中子物理的反馈作用，使用反距离加权插值算法完成粗、细网格模型之间的数据映射，经耦合迭代后实现精细的核热耦合计算；该方法能够为核反应堆设计、安全分析与运行提供高精度的核热耦合计算结果；该方法包含如下步骤：步骤一：使用前处理建模软件、计算流体力学软件以及蒙特卡洛方法输运计算程序进行计算对象的模型构造与网格划分；使用前处理建模软件构造核燃料组件几何模型，并将该几何模型导入计算流体力学软件中，再使用计算流体力学软件划分核燃料组件的精细结构化网格并进行流体力学计算；使用蒙特卡罗方法输运计算程序对核燃料组件进行建模，模型中包含燃料元件、冷却剂与包壳；通过计算流体力学软件中的用户自定义函数对应用于蒙特卡罗方法输运计算程序中的核燃料组件模型完成粗网格自动划分；其中，通过计算流体力学软件中的用户自定义函数对应用于蒙特卡罗方法输运计算程序中的核燃料组件模型完成粗网格自动划分的具体步骤如下：步骤1：向计算流体力学软件的用户自定义函数中指定核燃料组件几何模型的尺寸以及材料；步骤2：指定在使用计算流体力学软件的用户自定义函数对核燃料组件几何模型进行网格划分时坐标原点位置；步骤3：指定x方向、y方向以及z方向的网格划分数目，通过计算流体力学软件的用户自定义函数获取核燃料组件的网格中心点坐标、曲面位置坐标；步骤4：依据步骤3中得到的网格中心点坐标以及曲面位置坐标，生成用于中子物理计算的蒙特卡洛输运计算程序的曲面输入卡；步骤5：依据步骤4中生成的曲面输入卡，指定相对应的布尔运算规则，生成用于中子物理计算的蒙特卡洛方法输运计算程序的栅元输入卡；步骤6：依据步骤5中生成的栅元输入卡，通过指定不同区域材料标号生成用于中子物理计算的蒙特卡洛方法输运计算程序的材料输入卡；步骤7：指定本征值计算中模拟粒子数、迭代次数以及裂变源项分布生成本征值计算输入卡；步骤8：指定裂变能量统计计数，生成裂变能量计数输入卡；步骤9：对步骤4中生成的曲面输入卡、步骤5中生成的栅元输入卡、步骤6中生成的材料输入卡、步骤7中生成的本征值计算输入卡以及步骤8中生成的裂变能量计数输入卡进行合并，得到最终的的蒙特卡洛方法输运计算程序的输入卡；步骤二：分别设定计算流体力学软件、蒙特卡洛方法输运计算程序中对于核燃料组件的边界条件；步骤三：使用计算流体力学软件进行流体力学计算，待连续性残差降至1e
‑
3时即认为流体力学计算已经收敛，然后通过用户自定义函数提取流体力学计算结果中目标几何体各个网格的温度与密度，再利用反距离加权插值算法进行计算，将流体力学计算模型中的精细网格上的数据映射进蒙特卡洛方法输运计算程序的粗糙网格中；
反距离加权插值算法：如果d(x,x
i
)≥err，则：否则：u(x)＝u
i
其中：式中：i为插值节点的索引；d(x,x
i
)为目标节点与插值节点的距离；err为一个极小正数，用于计算机中的浮点判断；w
i
(x)为位置x处且索引为i的节点的权值；n为插值节点的个数；u
i
为索引为i的插值节点值；u(x)为目标节点值；p为幂值；步骤四：依据步骤三中得到的温度数据与密度数据，通过温度均方根插值函数计算所选温度区间内核素的截面数据；温度均方根插值公式为：σ(t)＝f
l
σ(t
l
) (1
‑
f
l
)σ(t
h
)式中：t为核燃料组件网格温度；t
h
为所选温度区间的最高温度/k；t
l
为所选温度区间的最低温度/k；σ(t
h
)为所选温度区间最高温度的截面数据；σ(t
l
)为所选温度区间最低温度的截面数据；σ(t)为宏观截面/m
‑1；f
l
为该温度区间中最低温度的和数据库中所占份额；通过温度均方根插值公式进行蒙特卡洛方法输运计算程序的截面数据选取与生成，进而生成蒙特卡洛方法输运计算程序的输入卡，调用蒙特卡洛方法输运计算程序进行计算；
步骤五：蒙特卡洛方法输运计算程序计算完成后，读取输出文件中的有效增殖因子k
eff
与归一化功率分布，随后通过功率密度分配函数进行功率分配，来进行核燃料组件的真实功率的计算：功率密度分配函数为：式中：g
i
为蒙特卡洛方法输运计算程序输出文件中每个栅元计算归一化结果；∑g
i
为所有归一化结果的求和；p为元件或组件的总功率密度；p
i
为每一个栅元加权计算后的真实功率密度；将利用上式计算完毕后的每一个栅元的真实功率密度进行反距离加权插值，即实现了从蒙特卡洛方法输运计算程序的粗网格中向流体力学计算模型的细网格进行网格映射与数据传输；插值过程中利用用户自定义函数中的内存结构进行数据存储，然后通过用户自定义函数对流体力学计算模型中指定区域赋予能量源项，用以进行下一步流体力学的计算工作；步骤六：提取几次耦合计算中蒙特卡洛方法输运计算程序计算完成后的有效增殖因子k
eff
，若几次迭代的k
eff
波动范围小于1e
‑
3，则认为该耦合计算已经收敛，计算完毕，反之则返回步骤一开始下一次迭代计算。2.根据权利要求1所述的基于反距离加权插值的核热强耦合方法，其特征在于：步骤二中所述分别设定计算流体力学软件、蒙特卡洛方法输运计算程序中对于核燃料组件的边界条件；其中计算流体力学软件设置组件的边界条件为速度入口边界条件以及压力为零的出口边界条件，组件四周为对称边界条件；蒙特卡洛方法输运计算程序设置组件四周为全反射边界条件，上下两端为真空边界条件。

技术总结
本发明公开了一种基于反距离加权插值的核热强耦合方法，步骤如下：1.根据核燃料组件几何结构构建网格模型；2.设置对应的边界条件；3.进行计算流体力学稳态计算，在达到当前残差收敛标准后，使用反距离加权插值完成网格模型间数据传递，开始进行中子物理计算；4.通过对应的温度均方根插值算法更新核素的温度数据库；5.中子物理计算完毕后，提取计算结果中的有效增殖因子k


技术研发人员：张大林 周星光 王心安 王成龙 田文喜 苏光辉 秋穗正
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.09.17
技术公布日：2022/1/3