[发明专利]一种反应堆多物理场耦合计算系统及方法

说明书

本发明公开了一种反应堆多物理场耦合计算系统及方法，涉及核反应堆领域，解决了尚无一套成熟的多物理场紧耦合计算系统的问题。本发明中，系统通过接口层封装并配置多种计算程序，通过应用程序层依据反应堆工程计算数据类型配置对应的计算程序；所述接口层用于获取再启动数据，再启动数据为所述接口层导入的反应堆工程计算数据，所述接口层基于反应堆工程在应用程序层用于计算的计算数据的原物理场构建JFNK计算必要的物理场残差表达式，并将物理场残差方程传递到核心求解层；所述接口层用于在所述核心求解层与应用程序层之间传递物理场求解结果。本发明可用于反应堆工程基于多物理耦合理念的程序开发、工程设计、事故分析及评价。

技术领域

本发明涉及核反应堆领域，具体涉及一种反应堆多物理场耦合计算系统及方法。

背景技术

核反应堆是一种能维持可控自持链式裂变反应以实现核能利用的装置，由一系列复杂且相互影响的现象和物理场组成。在核反应堆工程的设计及分析中，由于物理、热工、燃料等专业涉及的物理场存在强烈的反馈效应，传统的设计方法是在一个迭代步长内各专业按一定的上下游顺序依次开展设计与分析，将设计结果反馈到下一个迭代步，通过多次迭代达到设计目标。

近年来，对核反应堆的经济性、安全性等方面提出了更高的要求，这就需要对核反应堆进行更精细、更准确、更高效的模拟。随着计算机技术及我国超算计算机的快速发展，为核反应堆领域发展更精细、更准确的设计手段和方法提供了基础。

多物理场耦合计算将多个物理现象进行联合考虑，相较于传统的单个物理场依次模拟，能够更加高效、准确的模拟核反应堆内的真实现象，逐渐成为一种重要的核反应堆设计及分析方法。在多物理耦合计算时，根据物理场间数据交互位置可分为体耦合(各物理场的网格是相互交叉或重叠的，如堆芯的物理-热工耦合等)和面耦合(各物理场的网格是相互独立的，仅在交界面处有交集，如燃料-热工耦合、结构力学-热工耦合等)。

目前广泛采用的多物理耦合计算方法是算符分裂法，其实现过程：各物理场彼此独立、按一定顺序进行求解，通过数据接口的方式实现两个专业的数据交互。根据在一个时间步长内各物理场之间的迭代次数及收敛情况，可分为简单算符分裂法、半隐式算符分裂法和Picard迭代法。算符分裂法本质上是一种“松耦合”，各物理场是解耦求解的，只有一阶收敛速度，对于复杂的多物理场耦合问题，算符分裂法的计算效率及收敛性是难以保证的。

为了克服算符分裂法的缺点，近年来研究者提出了一种基于牛顿法和Krylov子空间方法的JNFK方法。该方法将多个物理场进行联立求解，同步更新各物理场的参数，具有二阶的收敛速度和精度。已有研究机构基于JFNK方法提出了针对反应堆模拟的多物理场紧耦合方法或平台，如MOOSE平台等，在上述方法或平台中，物理场是由用户输入或指定的守恒方程(微分形式或积分形式)表示(如物理专业的中子扩散方程或输运方程)，再由平台实现离散，最后采用JFNK方法实现多物理场在统一的矩阵中进行求解。但在反应堆实际计算分析中，各专业已研发了大量的专用计算程序，单个守恒方程还无法达到专用程序的计算精度，并且各专业守恒方程的离散方法可能是不同的，而目前的多物理耦合平台均无法同时提供多套离散方法。

如上所述，虽然现有技术中已提出了基于JFNK方法的反应堆多物理场紧耦合方法，但尚无一套基于JFNK方法+成熟计算程序的反应堆多物理场紧耦合计算系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：虽然现有技术中已提出了基于JFNK方法的反应堆多物理场紧耦合方法，但尚无一套基于JFNK方法+成熟计算程序的反应堆多物理场紧耦合计算系统及方法，为了解决上述现有技术存在的问题，本发明将成熟计算程序按照本耦合系统的接口要求进行封装，实现成熟计算程序物理场与本耦合系统的数据交互，建立由多个计算程序组成的多物理场耦合计算非线性方程组，采用Jacbian-free Newton Krylov(JFNK)求解该非线性方程组，实现对反应堆多物理场的紧耦合计算，提高反应堆多物理场耦合计算的精度和效率。

本发明通过下述技术方案实现：