一种适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法技术

本发明专利技术涉及核反应堆建模与仿真领域，涉及适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法，步骤如下：一：获取计算参数信息；二：在几何区域内随机生成出所有颗粒位置；三：给几何区域划分网格，把所有颗粒归并到各个网格当中；四：判断颗粒之间是否存在重叠；五：消除颗粒间重叠；六：判断颗粒与边界之间是否存在重叠；七：消除颗粒与边界的重叠；八：重复步骤四到步骤七，直到所有颗粒都消除了重叠情况；步骤九：判断颗粒和几何尺寸，若没达到规定尺寸，则增长颗粒半径，减小几何尺寸，并更新网格内颗粒信息，回到步骤三继续进行。本发明专利技术只要获取了堆芯的几何尺寸和燃料颗粒数，即可得出最终的全堆芯模型。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法
本专利技术涉及核反应堆建模与仿真领域，具体涉及适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法。
技术介绍
三维高效随机排布方法通过计算机模拟出颗粒在几何容器内部的真实填充情况，可以快速方便的来研究各种几何形状容器内部的颗粒的随机填充位置、填充率与空隙率、颗粒堆积结构等问题。此外，还可为后续的模拟计算提供相应参数，如颗粒的球流运动，颗粒排布的不确定性分析等。这尤其在核反应堆中燃料颗粒的随机排布不确定性分析中具体重要技术意义。目前核反应堆建模与计算软件中MCNP(BenoitForestiera,JoachimMissa,FranckBernard.Criticalitycalculationsonpebble-bedHTR-PROTEUSconfigurationasavalidationforthepseudo-scatteringtrackingmethodimplementedintheMORET5MonteCarlocode.InternationalConferenceonthePhysicsofReactors,Interlaken,Switzerland,September14-19,2008.),Serpent(VilleRintala,HeikkiSuikkanen,JaakkoModelingofrealisticpebblebedreactorgeometriesusingtheSerpentMonteCarlocode,AnnalsofNuclearEnergy,v77,p.223-230,2015.),VSOP，Dragon都有产生燃料颗粒的随机坐标的方法，而颗粒随机排布方法主要有蒙特卡罗移除方法(MonteCarloRejectionMethod)，系统扩展法(ExpendingSystemMethod)，离散单元法(DiscreteElementsMethod)等。计算机模拟仿真随机球排布方法一般分为随机松散排布(RandomLoosePacking,RLP)和随机紧密排布(RandomClosePacking,RCP)(W.S.Jodrey,E.M.Tory,Computersimulationofcloserandompackingofequalspheres,PHYSICALREVIEW,v32，p.4，1985.)；随机松散排布一般用于没有重力作用的弥散模型，这些模型一般颗粒填充率较低，易于实现；而随机紧密排布模型一般是填充率大于60％的模型。对于随机紧密排布，目前分为基于物理的方法与基于几何的模拟方法。其中，基于物理的模拟方法目前主要有离散单元法(DiscreteElementMethod，DEM)和分子动力学法(MolecularDynamics,MD)。离散单元法主要是划分单元，单元内计算颗粒与颗粒之间的各种相互作用力和重力作用，按照牛顿运动定理计算颗粒的运动方向与速度大小，是一种严谨的方法，目前广泛应用于土木和材料工程邻域。基于几何的方法主要有序列添加法和集合重排法两类，序列添加法首先放置一定量颗粒在容器中，考虑重力所以颗粒一般都放置在容器底部，然后每次迭代生成一个颗粒按照一个给定的方向运动(一般为重力方向)，直到颗粒碰到边界或其他颗粒，达到稳定位置后停止，如果生成的颗粒与边界或者与其他颗粒重叠，则重新继续生成，比如蒙特卡洛移除法(MonteCarolRejectionMethod,MCRejection)(G.J.Auwerda,J.L.Kloosterman,ComparisonofExperimentsandCalculationsofVoidFractionDistributionsinRandomlyStackedPebbleBeds,In:PHYSOR-2010,Pittsburgh,Pennsylvania,USA,May9-14,2010.)；集合重排法则是在几何容器内一次性投入所有颗粒的坐标点，不考虑颗粒实际的重叠情况，再根据几何判断条件挪动颗粒，直到所有颗粒消除重叠位置，主要有代表性方法的就是扩展系统法(ExpendingSystemMethod,ESM)，该方法在集合重排的基础上，增加了增长球半径的功能，使得排列可以更为紧密，最高可达到64％填充率(E.I.Zubko1andYu.E.Zubko,MAXIMUMPOSSIBLEDENSITIESOFRANDOMSPHEREPACKINGWITHINTHECOMPOSITE,PowderMetallurgyandMetalCeramics,v58,p.133,2019)。现有的产生随机颗粒的方法，通常有以下几点缺陷：颗粒的随机性不强，或者不能进行随机排布只能进行规则排布；随机紧密排布的颗粒填充率不够高；随机排布结果运行计算时间长；随机颗粒排布不能反映真实的模型情况(有颗粒重叠或者颗粒悬空)；不能在几何尺寸，随机颗粒数量确定的情况下按照一定填充率随机填充；不能输出颗粒随机位置来进行不确定性分析。对于当前核反应堆建模计算软件当中，DRAGON程序只能进行颗粒的规则排布，对于随机排布则存在颗粒重叠问题，不能反应真实情况。对于Serpent和MCNP软件，都采用的蒙特卡罗方法产生的随机颗粒坐标位置，根据蒙卡的产生原理，对于随机紧密排布的堆积情况，如HTR-10，PBR-250球床中燃料球的堆积，往往达不到相应的填充率要求，而且因为蒙卡方法随机位置的产生，程序的计算时间长。基于几何的随机排布方法比如ESM方法可以得到较高的填充率但是没有考虑重力因素的影响可能会在容器顶部存在颗粒悬空的非真实情况，而基于物理的随机排布方法如DEM方法可以真实反应颗粒的填充，但是因为需要输入颗粒质量，摩擦系数等一系列物理参数，在每一步中都需要计算容器内每个颗粒的受力情况而使得计算会占用大量的计算机内存，计算时间也大大增加。对于基于物理的随机排布方法，比如DEM方法，QDM方法(YanhengLi,WeiJi.Stabilityandconvergenceanalysisofadynamics-basedcollectivemethodforrandomspherepacking.JournalofComputationalPhysics.v250,p.373-387，2013.)，因为考虑到了重力、颗粒间的相互作用力，颗粒间的摩擦力、颗粒和容器壁的摩擦力等等，所以主要的问题在于计算机的运行时间过长，而且颗粒数越多，填充率越高的模型，计算时间往往成指数上涨。因此为了解决时间上的问题，主要会从程序结构和计算机性能上着手；程序的优化和计算机的性能则需要花费较多的资金。
技术实现思路
针对已有技术的缺陷和不足，本专利技术人探索采用了基于几何的随机排布方法，不考虑受力的影响，只有几何上的判断而使得程序变得十分简便，从而使得计算效率大大提高，但是也因为没有重力作用，在填充率较低情况下会出现颗粒悬空情况，为了能够模拟出真实排布情况往往会在颗粒的几何排布方法上进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法，其特征在于，包括步骤如下：/n步骤一：获取计算参数信息；/n步骤二：在几何区域内随机生成出所有颗粒位置，并给颗粒编号，不考虑重叠情况；/n步骤三：给几何区域划分网格，把所有颗粒归并到各个网格当中，网格中记录颗粒编号；/n步骤四：判断颗粒之间是否存在重叠；/n步骤五：消除颗粒间重叠；/n步骤六：判断颗粒与边界之间是否存在重叠；/n步骤七：消除颗粒与边界的重叠；/n步骤八：重复步骤四到步骤七，直到所有颗粒都消除了重叠情况；/n步骤九：判断颗粒和几何尺寸，若没达到规定尺寸，则增长颗粒半径，减小几何尺寸，并更新网格内颗粒信息，然后回到步骤三继续进行；若已达到规定的颗粒和几何尺寸，步骤结束。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于堆芯颗粒分布不确定性分析的三维高效随机排布方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一：获取计算参数信息；
步骤二：在几何区域内随机生成出所有颗粒位置，并给颗粒编号，不考虑重叠情况；
步骤三：给几何区域划分网格，把所有颗粒归并到各个网格当中，网格中记录颗粒编号；
步骤四：判断颗粒之间是否存在重叠；
步骤五：消除颗粒间重叠；
步骤六：判断颗粒与边界之间是否存在重叠；
步骤七：消除颗粒与边界的重叠；
步骤八：重复步骤四到步骤七，直到所有颗粒都消除了重叠情况；
步骤九：判断颗粒和几何尺寸，若没达到规定尺寸，则增长颗粒半径，减小几何尺寸，并更新网格内颗粒信息，然后回到步骤三继续进行；若已达到规定的颗粒和几何尺寸，步骤结束。


2.如权利要求1所述的三维高效随机排布方法，其特征在于，步骤一中参数信息包括颗粒总数(即几何区域内颗粒的数量，如燃料球数、燃料颗粒数)，最终边界几何尺寸(对于圆柱、立方体几何只需要压缩几何高度即可，对于球型几何则需压缩球型几何半径)Hend，最终颗粒半径Rpeb和迭代步数N。


3.如权利要求2所述的三维高效随机排布方法，其特征在于，步骤一中最初颗粒半径Rini定义为最终颗粒半径Rpeb的2/3，最初边界几何高度Hini为最终几何高度Hend的3/2。


4.如权利要求1所述的三维高效随机排布方法，其特征在于，步骤四中，当判断得出颗粒间距小于颗粒直径，则认为颗粒间存在重叠。


5.如权利要求4所述的三维高效随机排布方法，其特征在于，基于网格近邻表的ESM方法判断颗粒间距，具体方法是首先在颗粒填充的几何区域内划分网格，网格宽度为一倍球直径至两倍球直径；采用笛卡尔坐标系，在X，Y，Z方向分别划分网格，使得几何空间被分割为一个个立方体晶格；其中定义如果球心坐标在晶格之内，该球就属于该晶格，并且通过基于线性同余法的rand随机数生成函数在几何区域内生成Npeb个点作为各随机颗粒的球心，不考虑颗粒之间的重叠情况。


6.如权利要求5所述的三维高效随机排布方法，其特征在于，步骤四中，颗粒间距的具体判断流程为：比较该球...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝琛，杨镕瑞，程有莹，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23