本發(fā)明屬于高性能計(jì)算和核工程交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、核反應(yīng)堆工程技術(shù)長(zhǎng)期面臨難度大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)的大型試驗(yàn)等問題，使得完全通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的合理性和安全性存在很大困難?；谙冗M(jìn)耦合建模和大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)的數(shù)值核反應(yīng)堆(簡(jiǎn)稱數(shù)值堆)成為解決上述問題的必要途徑。數(shù)值堆中各種計(jì)算過程(如，中子輸運(yùn)、熱工流體、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃料行為等)的大規(guī)模、高保真模擬，以及多尺度、強(qiáng)非線性耦合具有相當(dāng)程度的復(fù)雜性，其計(jì)算量和存儲(chǔ)量的需求十分巨大，需要超算計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱超算)的強(qiáng)大算力和存力支撐。目前超算計(jì)算機(jī)均采用“cpu+加速器”的異構(gòu)混合架構(gòu)，90％以上算力來自加速器核。因此，依托建立異構(gòu)架構(gòu)的先進(jìn)數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆技術(shù)自主可控，具有重要意義。
2、然而，由于反應(yīng)堆系統(tǒng)的復(fù)雜性，已有的數(shù)值堆系統(tǒng)大多停留在概念設(shè)計(jì)階段，且在功能完整性、集成度、模擬保真度及規(guī)模、準(zhǔn)確性等方面存在不足，無法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述現(xiàn)有數(shù)值堆技術(shù)和系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
3、一種基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用戶接口、多物理模擬環(huán)境、支撐工具庫和模擬數(shù)據(jù)庫、硬件支撐環(huán)境；所述用戶接口用于接收核反應(yīng)堆模擬所需參數(shù)及模擬需求；所述多物理模擬環(huán)境包含多物理核心計(jì)算部件和耦合器，用于實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆核心物理過程計(jì)算及耦合計(jì)算；所述支撐工具庫為各物理過程計(jì)算提供支持；所述模擬數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)模擬數(shù)據(jù)；所述硬件支撐環(huán)境用于提供硬件資源。
4、進(jìn)一步地，所述多物理核心計(jì)算部件包括：中子輸運(yùn)計(jì)算部件、熱工水力計(jì)算部件、結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件、燃料性能計(jì)算部件；其中，所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件與熱工水力計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)核-熱耦合模擬；所述熱工水力計(jì)算部件與結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)流-熱-固耦合模擬；所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件、熱工水力計(jì)算部件和燃料性能計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)核-熱-燃耦合模擬。
5、進(jìn)一步地，所述耦合器包括網(wǎng)格映射工具和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，并通過算子分裂和皮卡爾迭代的兩種耦合方法實(shí)現(xiàn)多物理核心計(jì)算部件之間耦合模擬所需的網(wǎng)格映射和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
6、進(jìn)一步地，所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件基于直接三維特征線法求解中子輸運(yùn)方程，獲取反應(yīng)堆溫度分布及形變幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有的燃耗模型提供的核素成分生成/更新截面數(shù)據(jù)，依托e級(jí)異構(gòu)超算，將計(jì)算任務(wù)分配至主機(jī)端和設(shè)備端，主機(jī)端進(jìn)行程序網(wǎng)格、求積組、平源區(qū)以及特征線初始化，并根據(jù)計(jì)算資源進(jìn)行任務(wù)劃分；設(shè)備端對(duì)各自任務(wù)區(qū)域進(jìn)行特征線法輸運(yùn)求解，并將計(jì)算結(jié)果傳輸至主機(jī)端進(jìn)行收斂判定。
7、進(jìn)一步地，熱工水力計(jì)算部件包括子通道模塊和計(jì)算流體力學(xué)模塊；所述子通道模塊用于全堆芯級(jí)別熱工水力模擬，支持壓水堆四邊形組件和鈉冷快堆六角形組件的全堆芯大規(guī)模并行模擬；所述計(jì)算流體力學(xué)模塊用于對(duì)反應(yīng)堆堆芯內(nèi)瞬態(tài)流體的物理場(chǎng)進(jìn)行高精細(xì)模擬，支持直接數(shù)值模擬與大渦模擬兩種湍流數(shù)值模擬方法，采用高階譜元法對(duì)navier-stokes方程和能量方程求解。
8、進(jìn)一步地，所述結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件用于反應(yīng)堆堆芯組件在高溫、輻照、流體作用、壓緊力聯(lián)合作用下的靜力學(xué)和流致振動(dòng)計(jì)算，采用有限元方法求解結(jié)構(gòu)力學(xué)的控制方程，獲得堆芯組件的彎曲變形和振動(dòng)情況。
9、進(jìn)一步地，所述燃料性能計(jì)算部件包括微觀尺度模擬工具、介觀尺度模擬工具和宏觀尺度模擬工具；其中，所述微觀尺度模擬工具包括分子動(dòng)力學(xué)模塊和原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模塊，用于模擬核燃料微觀層面的原子運(yùn)動(dòng)和缺陷演化；所述介觀尺度模擬工具包括團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)模塊和離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模塊，用于分析核燃料介觀尺度的缺陷聚集和位錯(cuò)行為；所述宏觀尺度模擬工具基于力熱性能分析工具獲得核燃料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。
10、進(jìn)一步地，所述支撐工具庫包括：基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫、網(wǎng)格劃分工具、v&v支撐工具和并行i/o工具，其中，
11、所述基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)原語模塊、基礎(chǔ)算子模塊、線性方程組求解模塊、統(tǒng)一調(diào)用接口模塊，為核心計(jì)算部件提供底層數(shù)學(xué)計(jì)算支撐；
12、所述網(wǎng)格劃分工具針對(duì)反應(yīng)堆堆芯的固體域和流體域，參數(shù)化生成堆芯固體域、流體域的四面體網(wǎng)格和流體域的六面體網(wǎng)格；
13、所述v&v支撐工具通過數(shù)值模擬軟件測(cè)試框架實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的驗(yàn)證與確認(rèn)功能；
14、所述并行i/o工具為所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件、熱工水力計(jì)算部件、結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件、燃料性能計(jì)算部件提供大規(guī)模并行i/o的性能診斷、性能模型與i/o策略選擇。
15、進(jìn)一步地，所述數(shù)值模擬軟件測(cè)試框架包含底層工具層、執(zhí)行邏輯層、測(cè)試接口層，其中，所述底層工具層對(duì)浮點(diǎn)誤差分析工具、代碼調(diào)試工具、代碼管理工具、代碼編譯工具進(jìn)行集成；執(zhí)行邏輯層提供模擬結(jié)果驗(yàn)證與確認(rèn)的基本流程；測(cè)試接口層對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試、蛻變測(cè)試、精度階分析、回歸測(cè)試、誤差分析進(jìn)行接口封裝。
16、進(jìn)一步地，所述模擬數(shù)據(jù)庫包含元數(shù)據(jù)管理模塊和模擬數(shù)據(jù)模塊，所述元數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一描述所有計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)，所述模擬數(shù)據(jù)模塊包含中子輸運(yùn)數(shù)據(jù)模塊、熱工水力數(shù)據(jù)模塊、結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)據(jù)模塊和核燃料數(shù)據(jù)模塊，分別存儲(chǔ)和管理核反應(yīng)堆在中子輸運(yùn)、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)、核燃料性過程模擬中產(chǎn)生的工況數(shù)據(jù)、輸入?yún)?shù)以及輸出結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔、版本控制和追蹤。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
18、本發(fā)明不僅能夠支持反應(yīng)堆中子輸運(yùn)、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃料及材料等核心物理過程的單一模擬和分析，同時(shí)支持各物理過程的耦合精細(xì)化模擬，同時(shí)，對(duì)各核心計(jì)算部件的共性部分以支撐工具的方式進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的易用性和功能可擴(kuò)展性，并提供了數(shù)值反應(yīng)堆模擬的驗(yàn)證與確認(rèn)功能，確保了模擬結(jié)果的精確性和可信度。所提出的先進(jìn)數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)為現(xiàn)役壓水堆和自主三、四代先進(jìn)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)優(yōu)化、不同工況運(yùn)行模擬優(yōu)化、嚴(yán)重事故序列演示預(yù)測(cè)及燃料和材料研發(fā)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的試驗(yàn)平臺(tái)。
1.一種基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用戶接口、多物理模擬環(huán)境、支撐工具庫和模擬數(shù)據(jù)庫、硬件支撐環(huán)境；所述用戶接口用于接收核反應(yīng)堆模擬所需參數(shù)及模擬需求；所述多物理模擬環(huán)境包含多物理核心計(jì)算部件和耦合器，用于實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆核心物理過程計(jì)算及耦合計(jì)算；所述支撐工具庫為各物理過程計(jì)算提供支持；所述模擬數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)模擬數(shù)據(jù)；所述硬件支撐環(huán)境用于提供硬件資源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述多物理核心計(jì)算部件包括：中子輸運(yùn)計(jì)算部件、熱工水力計(jì)算部件、結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件、燃料性能計(jì)算部件；其中，所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件與熱工水力計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)核-熱耦合模擬；所述熱工水力計(jì)算部件與結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)流-熱-固耦合模擬；所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件、熱工水力計(jì)算部件和燃料性能計(jì)算部件實(shí)現(xiàn)核-熱-燃耦合模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合器包括網(wǎng)格映射工具和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，并通過算子分裂和皮卡爾迭代的兩種耦合方法實(shí)現(xiàn)多物理核心計(jì)算部件之間耦合模擬所需的網(wǎng)格映射和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述中子輸運(yùn)計(jì)算部件基于直接三維特征線法求解中子輸運(yùn)方程，獲取反應(yīng)堆溫度分布及形變幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有的燃耗模型提供的核素成分生成/更新截面數(shù)據(jù)，依托e級(jí)異構(gòu)超算，將計(jì)算任務(wù)分配至主機(jī)端和設(shè)備端，主機(jī)端進(jìn)行程序網(wǎng)格、求積組、平源區(qū)以及特征線初始化，并根據(jù)計(jì)算資源進(jìn)行任務(wù)劃分；設(shè)備端對(duì)各自任務(wù)區(qū)域進(jìn)行特征線法輸運(yùn)求解，并將計(jì)算結(jié)果傳輸至主機(jī)端進(jìn)行收斂判定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，熱工水力計(jì)算部件包括子通道模塊和計(jì)算流體力學(xué)模塊；所述子通道模塊用于全堆芯級(jí)別熱工水力模擬，支持壓水堆四邊形組件和鈉冷快堆六角形組件的全堆芯大規(guī)模并行模擬；所述計(jì)算流體力學(xué)模塊用于對(duì)反應(yīng)堆堆芯內(nèi)瞬態(tài)流體的物理場(chǎng)進(jìn)行高精細(xì)模擬，支持直接數(shù)值模擬與大渦模擬兩種湍流數(shù)值模擬方法，采用高階譜元法對(duì)navier-stokes方程和能量方程求解。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算部件用于反應(yīng)堆堆芯組件在高溫、輻照、流體作用、壓緊力聯(lián)合作用下的靜力學(xué)和流致振動(dòng)計(jì)算，采用有限元方法求解結(jié)構(gòu)力學(xué)的控制方程，獲得堆芯組件的彎曲變形和振動(dòng)情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料性能計(jì)算部件包括微觀尺度模擬工具、介觀尺度模擬工具和宏觀尺度模擬工具；其中，所述微觀尺度模擬工具包括分子動(dòng)力學(xué)模塊和原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模塊，用于模擬核燃料微觀層面的原子運(yùn)動(dòng)和缺陷演化；所述介觀尺度模擬工具包括團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)模塊和離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模塊，用于分析核燃料介觀尺度的缺陷聚集和位錯(cuò)行為；所述宏觀尺度模擬工具基于力熱性能分析工具獲得核燃料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐工具庫包括：基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫、網(wǎng)格劃分工具、v&v支撐工具和并行i/o工具，其中，
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)值模擬軟件測(cè)試框架包含底層工具層、執(zhí)行邏輯層、測(cè)試接口層，其中，所述底層工具層對(duì)浮點(diǎn)誤差分析工具、代碼調(diào)試工具、代碼管理工具、代碼編譯工具進(jìn)行集成；執(zhí)行邏輯層提供模擬結(jié)果驗(yàn)證與確認(rèn)的基本流程；測(cè)試接口層對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試、蛻變測(cè)試、精度階分析、回歸測(cè)試、誤差分析進(jìn)行接口封裝。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超算的數(shù)值核反應(yīng)堆系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬數(shù)據(jù)庫包含元數(shù)據(jù)管理模塊和模擬數(shù)據(jù)模塊，所述元數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一描述所有計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)，所述模擬數(shù)據(jù)模塊包含中子輸運(yùn)數(shù)據(jù)模塊、熱工水力數(shù)據(jù)模塊、結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)據(jù)模塊和核燃料數(shù)據(jù)模塊，分別存儲(chǔ)和管理核反應(yīng)堆在中子輸運(yùn)、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)、核燃料性過程模擬中產(chǎn)生的工況數(shù)據(jù)、輸入?yún)?shù)以及輸出結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔、版本控制和追蹤。