一种基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真架构方法与流程

本发明涉及数字化反应堆研究领域，具体涉及基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真架构方法。

背景技术：

为满足以核能设备为代表的复杂工业产品研发对系统综合性能进行决策分析的更高层次的数字化设计需求，以及满足数字化反应堆对仿真软件可扩展性的要求，1997年，欧洲仿真协会(eurosim)提出了多领域、连续-离散混合物理建模语言modelica及其仿真技术。它具备通用性、标准化及开放性的特点，采用面向对象技术进行模型描述，实现了模型可重用、可重构、可扩展的先进构架体系，近年来，与之结合的热工水力系统建模与仿真技术得到了深入和广泛的研究，如具有代表性的案例包括：法国电力的thermosyspro、橡树岭国家实验室的modsim、米兰理工的thermopower等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真架构方法，实现针对核反应堆热工水力仿真的深度高效复用和拓展。

本发明的具体技术方案为：

一种基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真架构方法，包括分解和组建；

分解包括以下步骤：

a1、将核反应堆热工水力系统按照拓扑结构进行分解为组件和设备；

a2、将组件按照结构单元分解为设备和接口方程单元；

a3、将a1和a2中获得的设备按照物理现象进行分解为各种传质传热物理现象方程单元；

传质传热物理现象方程单元包括基本方程单元、能为基本方程单元提供封闭信息的配合方程单元；

其中，将接口方程单元和传质传热物理现象方程单元归为基础单元；

组建包括以下步骤：

b1、采用modelica规范方式将各种基础单元规范为各种基础级模型，

其中包括将传质传热物理现象方程方程单元规范为基本方程模型，

将配合方程单元规范为配合模型，

将接口类方程单元规范为接口模型；

b2、根据不同的设备，在各种基础级模型中找到与设备对应的基本方程模型、能为基本方程模型提供封闭信息的配合模型和能配合基本方程模型进行关联、组合构成设备模型的接口模型；

再通过建立基本方程模型调用配合模型进行封闭的调用关系和建立基本方程模型与接口模型进行关联、组合关系而构建出对应的设备级模型，从而建立设备完整的物理过程的方程描述形成modelica规范的设备级模型；

b3、采用组合封装的方式，通过接口模型把各设备级模型参数和变量进行关联、建立联立方程组以描述组件完整的物理过程从而形成modelica规范的组件级模型；

b4、采用拖拽式建模的方式，根据系统的拓扑结构把设备级模型和组件级模型集成为系统级模型。

本发明的设计原理为：

modelica建模规范是一种面向对象、基于方程、采用层次化组件模型和具有可重用性的物理建模语言，其构建的数字模型本质是以数学方程组的形式描述实验设备或系统的物理特性并以图形化呈现的模型。在开源可见的基础上，由于模型代码基本上是采用基于方程形成来编写的，该方式与用户掌握的理论公式具有很强的对照性，故用户可以非常简单、便捷的基于试验成果和相关文献资料实现对模型方程/算法进行修改、优化和验证，提升模型的准确性,提高实验成果的深层价值。modelica建模规范支持图形化、模块化的拖拽式建模方式，可以很好的做到仿真模型的架构和系统设计的原理图一一对应，大大提高了用户建模效率和设计与仿真的迭代效率。

本发明基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真建模的一项重要工作，是建立modelica模型库从最底层的基本控制方程模型到最顶层的系统模型的层次化架构图，本发明首先采用自上而下的分解，再采用自下而上的集成对核反应堆热工水力系统modelica模型库进行架构。在自上而下的分解方面，本发明建立核反应堆热工水力系统从系统级→组件级→设备级→基础级的层次化分解图，并对各级的含义和范围进行了说明。本发明具有最主要贡献的技术核心在于：在自下而上的集成方面，本发明以传质传热物理现象方程单元转变成的基本方程模型为核心，采用多级继承的方式，把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型；进而通过组合封装和拖拽式建模形成组件模型和系统模型。本发明的技术成果为modelica规范应用于数字化反应堆热工水力系统仿真提供了一种可供选择模型架构方案。在本发明中，分解时主要目的是分解到设备级，并且是以传质传热物理现象进行的设备级划分，而不是传统的设备或物理边界划分；这样做的目的是使得设备是以各种传质传热物理方程描述的设备，做到更加的底层化设计，能更加逼真的模拟实际工作时的热工水力情况。同时，本发明在构建设备时，是以基本方程模型为核心采用多级继承的方式，把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型，这样做的目的是将其他配合模型与基本方程模型形成多级关联，我们在重复使用时，只需在外部更改配合模型的外部数据即可，无效更改整个模型之间的关联关系，就快速的形成同类型、但参数不同的设备，达到快速复用的目的，且这种多级继承，能更加真实的模拟出设备的实际过程。本发明上述所述的多级继承是指把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型，即将多个配合模型形成关联和级联用来对基本方程模型进行封闭。

传统的relpa5、cathare等核反应堆热工水力仿真软件采用基于控制体的方法建立管道、阀门等设备的模型，所述控制体为设备流道结构的某个网格节点，按若干个节点数对设备从进口到出口的流道结构进行一维网格划分得到的，只是对结构进行分解，未进一步对物理现象进行分解，因此，其模拟时，只能做到各模型的简单的数据仿真显示，没有形成模型关联形成参数之间结合后的仿真，且每一个模型在复用时，都需要重新对每一个模型进行配置参数，因此有时需要人工再次测算后进行配置，而需要配置出的参数多达几百个值，极大的延缓了复用的进程。与基于modelica的多级继承设备模型构建方式相比，采用基于控制体的方法，要求对每个控制体都构建基本控制方程、各个物理现象对应的源项方程、物性方程、边界条件以及控制体之间的质量、动量、能量输运方程等，以形成封闭可求解的方程组，建模工作量和难度大，参数配置多，难以用模块化结构化的方式把控制体各个物理现象和过程清晰完整地表达出来，也难以高效复用已有的传质传热物理现象源项方程、物性表达式等，建模质量和效率低。采用多级继承方式，对设备的物理现象进行了分解，最大程度地提取设备的传质传热物理现象的共性基类，以模块化结构化的方式建立基本控制方程与共性基类的关联以及各个共性基类的关系，既可快速地从设备模型以层次化分解的形式查看某个物理现象对应的源项模型，也可通过修改某个物理现象对应的源项模型高效优化相关的设备模型。

本发明具体的发明内容为：

所述基础级模型从基本方程出发提供热工水力仿真所需的基础共性的模型，提供了控制方程封闭所需的源项、物性、接口、几何参数等，是整个热工水力系统modelica模型库的最小单元，基础级模型包括基本方程模型、源项模型、物性模型、热构件模型、逻辑控制模型等。所述设备级模型提供热工水力系统所需的常规通用的设备模型，它关联组合各类基础级模型形成联立方程组从而描述设备内部的物理过程，是热工水力系统拓扑结构的最小单元，设备级模型包括管道类模型、管道附件类模型、阀门类模型、泵类模型、容器类模型等。所述组件级模型提供结构及物理现象复杂的设备对应的modelica模型，可根据设备组件的结构单元和物理现象分解为若干个设备级模型和基础级模型，组件级模型包括反应堆模型、蒸汽发生器模型、c型换热器模型等。所述系统级模型描述了热工水力系统的拓扑结构，通过管道模型或管路附件模型把设备级模型和组件级模型连接形成流体流动回路，系统级模型包括一回路系统模型、二回路系统模型、非能动余热排出系统模型等。

实际模拟时，核反应堆热工水力系统modelica仿真模型库采用自下而上集成的方法建立基础通用的modelica模型应用到特定对象或特定场景的方式，第一步采用多级继承的方式，把基础级模型转化为设备级模型，即以基本方程模型为核心，通过调用封闭基本方程所需的源项、物性、结构参数等基础级模型，建立设备模型完整的物理过程的方程描述，第二步采用组合封装的方式，把设备级模型集成为组件级模型，即组件模型通过各类接口把各设备组成的参数和变量进行关联，建立联立方程组以描述组件模型完整的物理过程。第三步采用拖拽式建模的方式，根据系统的拓扑结构把设备级模型和组件级模型集成为系统模型。

所述的多级继承方式，以基本方程模型为核心，调用和关联控制基本方程封闭所需的源项、物性、变量接口、几何参数等形成设备级模型。具体为：

a)基本控制方程模型由质量方程、能量方程和动量方程组成，方程中的各个结构参数由设备模型直接配置。

b)基本方程根据物理现象调用源项方程模型以计算获得控制方程的各个源项，源项方程模型分为壁面摩擦力方程、壁面传热系数方程、相间摩擦系数方程、相间传热系数方程、相间质量转换方程等5大类，同时外力场模型作为特殊源项被动量方程调用。

c)基本方程根据运行工质调用物性模型以计算获得控制方程的流体物性参数，而物性模型调取基本控制方程模型的状态变量作为物性计算的输入，物性模型还被源项模型调用以计算源项方程的流体物性参数。

d)基本方程模型调用流体接口模型使设备的进出口参数变量与其它设备的进出口参数变量进行关联，实现本设备的控制方程与其它设备的控制方程联立或者以其它设备的参数作为本设备的进出口边界条件。

基本方程模型调用热接口模型关联热构件模型的壁面温度、热流密度或散热量等参数计算获得能量方程的热源项。热构件模型的内部方程为固体传热方程，为实现固体传热方程的封闭需调用物性模型以计算固体物性参数，而物性模型需调取热构件模型的状态变量用于固体物性计算的输入。热构件模型的加热功率等边界条件可通过参数配置，也可通过点堆方程模型等计算获得。

优选的，所述基本方程模型为质量方程模型和能力方程模型以及动量方程模型联立组成。

优选的，所述配合模型包括为基本方程模型提供封闭信息的源项方程模型、物性参数模型、外力场模型，其中，物性参数模型能为源项方程模型提供封闭信息。

优选的，源项方程模型包括壁面摩擦力方程模型、壁面传热系数方程模型、相间摩擦系数方程模型、相间传热系数方程模型、相间质量转换方程模型。

优选的，所述配合模型还包括为源项方程模型提供封闭信息的全局变量模型。

优选的，所述配合模型还包括为物性参数模型提供封闭信息的热构建模型，以及为热构建模型提供封闭信息的点堆模型。

优选的，能配合基本方程模型进行关联、组合构成设备模型的接口模型包括热接口模型和流体接口模型。

优选的，配合模型还包括边界条件模型、几何参数模型、传感器类模型、逻辑运算类模型。

优选的，设备级模型包括管道类模型、阀门类模型、容器类模型、热交换器类模型、管路附件类模型、堆芯类模型、泵类模型、汽轮机类模型、控制器类模型。

优选的，所述组件级模型包括核反应堆模型、蒸汽发生器模型、c型换热器模型、稳压器模型。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明的效果在于：本发明采用自上而下的分解和自下而上的集成对核反应堆热工水力系统modelica模型库进行架构,建立清晰明确的层次化结构图。在自上而下的分解方面，本发明建立核反应堆热工水力系统从系统级→组件级→设备级→基础级的层次化分解图,并对各级的含义和范围进行了说明。在自下而上的集成方面，本发明以基本控制方程模型为核心，采用多级继承的方式，把控制方程所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型，进而通过组合封装和拖拽式建模形成组件模型和系统模型。本发明的技术成果实现了modelica仿真模型的高效复用和拓展，为modelica规范应用于数字化反应堆热工水力系统仿真提供了一种可供选择模型架构方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

附图1一种基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真模型库架构图。

附图2核反应堆热工水力仿真模型库各级模型范围。

附图3基于两流体六方程模型的modelica设备模型多级继承图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1、图2、图3所示：

一种基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真架构方法，包括分解和组建；

分解包括以下步骤：

a1、将核反应堆热工水力系统按照拓扑结构进行分解为组件和设备；

a2、将组件按照结构单元分解为设备和接口方程单元；

a3、将a1和a2中获得的设备按照物理现象进行分解为各种传质传热物理现象方程单元；

传质传热物理现象方程单元包括基本方程单元、能为基本方程单元提供封闭信息的配合方程单元；

其中，将接口方程单元和传质传热物理现象方程单元归为基础单元；

组建包括以下步骤：

b1、采用modelica规范方式将各种基础单元规范为各种基础级模型，

其中包括将传质传热物理现象方程方程单元规范为基本方程模型，

将配合方程单元规范为配合模型，

将接口类方程单元规范为接口模型；

b2、根据不同的设备，在各种基础级模型中找到与设备对应的基本方程模型、能为基本方程模型提供封闭信息的配合模型和能配合基本方程模型进行关联、组合构成设备模型的接口模型；

再通过建立基本方程模型调用配合模型进行封闭的调用关系和建立基本方程模型与接口模型进行关联、组合关系而构建出对应的设备级模型，从而建立设备完整的物理过程的方程描述形成modelica规范的设备级模型；

b3、采用组合封装的方式，通过接口模型把各设备级模型参数和变量进行关联、建立联立方程组以描述组件完整的物理过程从而形成modelica规范的组件级模型；

b4、采用拖拽式建模的方式，根据系统的拓扑结构把设备级模型和组件级模型集成为系统级模型。

本发明的设计原理为：

modelica建模规范是一种面向对象、基于方程、采用层次化组件模型和具有可重用性的物理建模语言，其构建的数字模型本质是以数学方程组的形式描述实验设备或系统的物理特性并以图形化呈现的模型。在开源可见的基础上，由于模型代码基本上是采用基于方程形成来编写的，该方式与用户掌握的理论公式具有很强的对照性，故用户可以非常简单、便捷的基于试验成果和相关文献资料实现对模型方程/算法进行修改、优化和验证，提升模型的准确性,提高实验成果的深层价值。modelica建模规范支持图形化、模块化的拖拽式建模方式，可以很好的做到仿真模型的架构和系统设计的原理图一一对应，大大提高了用户建模效率和设计与仿真的迭代效率。

本发明基于modelica规范的核反应堆热工水力仿真建模的一项重要工作，是建立modelica模型库从最底层的基本控制方程模型到最顶层的系统模型的层次化架构图，本发明首先采用自上而下的分解，再采用自下而上的集成对核反应堆热工水力系统modelica模型库进行架构。在自上而下的分解方面，本发明建立核反应堆热工水力系统从系统级→组件级→设备级→基础级的层次化分解图，并对各级的含义和范围进行了说明。本发明具有最主要贡献的技术核心在于：在自下而上的集成方面，本发明以传质传热物理现象方程单元转变成的基本方程模型为核心，采用多级继承的方式，把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型；进而通过组合封装和拖拽式建模形成组件模型和系统模型。本发明的技术成果为modelica规范应用于数字化反应堆热工水力系统仿真提供了一种可供选择模型架构方案。在本发明中，分解时主要目的是分解到设备级，并且是以传质传热物理现象进行的设备级划分，而不是传统的设备或物理边界划分；这样做的目的是使得设备是以各种传质传热物理方程描述的设备，做到更加的底层化设计，能更加逼真的模拟实际工作时的热工水力情况。同时，本发明在构建设备时，是以基本方程模型为核心采用多级继承的方式，把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型，这样做的目的是将其他配合模型与基本方程模型形成多级关联，我们在重复使用时，只需在外部更改配合模型的外部数据即可，无效更改整个模型之间的关联关系，就快速的形成同类型、但参数不同的设备，达到快速复用的目的，且这种多级继承，能更加真实的模拟出设备的实际过程。本发明上述所述的多级继承是指把控制基本方程模型所需的物性模型、源项模型、热构件模型、接口模型等基础级模型进行关联和组合形成设备模型，即将多个配合模型形成关联和级联用来对基本方程模型进行封闭。

本发明具体的发明内容为：

所述基础级模型从基本方程出发提供热工水力仿真所需的基础共性的模型，提供了控制方程封闭所需的源项、物性、接口、几何参数等，是整个热工水力系统modelica模型库的最小单元，基础级模型包括基本方程模型、源项模型、物性模型、热构件模型、逻辑控制模型等。所述设备级模型提供热工水力系统所需的常规通用的设备模型，它关联组合各类基础级模型形成联立方程组从而描述设备内部的物理过程，是热工水力系统拓扑结构的最小单元，设备级模型包括管道类模型、管道附件类模型、阀门类模型、泵类模型、容器类模型等。所述组件级模型提供结构及物理现象复杂的设备对应的modelica模型，可根据设备组件的结构单元和物理现象分解为若干个设备级模型和基础级模型，组件级模型包括反应堆模型、蒸汽发生器模型、c型换热器模型等。所述系统级模型描述了热工水力系统的拓扑结构，通过管道模型或管路附件模型把设备级模型和组件级模型连接形成流体流动回路，系统级模型包括一回路系统模型、二回路系统模型、非能动余热排出系统模型等。

实际模拟时，核反应堆热工水力系统modelica仿真模型库采用自下而上集成的方法建立基础通用的modelica模型应用到特定对象或特定场景的方式，第一步采用多级继承的方式，把基础级模型转化为设备级模型，即以基本方程模型为核心，通过调用封闭基本方程所需的源项、物性、结构参数等基础级模型，建立设备模型完整的物理过程的方程描述，第二步采用组合封装的方式，把设备级模型集成为组件级模型，即组件模型通过各类接口把各设备组成的参数和变量进行关联，建立联立方程组以描述组件模型完整的物理过程。第三步采用拖拽式建模的方式，根据系统的拓扑结构把设备级模型和组件级模型集成为系统模型。

如图3所示，基于两流体六方程模型的modelica设备模型多级继承图，图3中所述的多级继承方式，以基本方程模型为核心，调用和关联控制基本方程封闭所需的源项、物性、变量接口、几何参数等形成设备级模型。具体为：

a基本控制方程模型由质量方程、能量方程和动量方程组成，方程中的各个结构参数由设备模型直接配置。

b基本方程根据物理现象调用源项方程模型以计算获得控制方程的各个源项，源项方程模型分为壁面摩擦力方程、壁面传热系数方程、相间摩擦系数方程、相间传热系数方程、相间质量转换方程等5大类，同时外力场模型作为特殊源项被动量方程调用。

c基本方程根据运行工质调用物性模型以计算获得控制方程的流体物性参数，而物性模型调取基本控制方程模型的状态变量作为物性计算的输入，物性模型还被源项模型调用以计算源项方程的流体物性参数。

d基本方程模型调用流体接口模型使设备的进出口参数变量与其它设备的进出口参数变量进行关联，实现本设备的控制方程与其它设备的控制方程联立或者以其它设备的参数作为本设备的进出口边界条件。

基本方程模型调用热接口模型关联热构件模型的壁面温度、热流密度或散热量等参数计算获得能量方程的热源项。热构件模型的内部方程为固体传热方程，为实现固体传热方程的封闭需调用物性模型以计算固体物性参数，而物性模型需调取热构件模型的状态变量用于固体物性计算的输入。热构件模型的加热功率等边界条件可通过参数配置，也可通过点堆方程模型等计算获得。

如图3所示，优选的，所述基本方程模型为质量方程模型和能力方程模型以及动量方程模型联立组成。

如图3所示，优选的，所述配合模型包括为基本方程模型提供封闭信息的源项方程模型、物性参数模型、外力场模型，其中，物性参数模型能为源项方程模型提供封闭信息。

如图3所示，优选的，源项方程模型包括壁面摩擦力方程模型、壁面传热系数方程模型、相间摩擦系数方程模型、相间传热系数方程模型、相间质量转换方程模型。

如图3所示，优选的，所述配合模型还包括为源项方程模型提供封闭信息的全局变量模型。

如图3所示，优选的，所述配合模型还包括为物性参数模型提供封闭信息的热构建模型，以及为热构建模型提供封闭信息的点堆模型。

如图3所示，优选的，能配合基本方程模型进行关联、组合构成设备模型的接口模型包括热接口模型和流体接口模型。

如图3所示，优选的，配合模型还包括边界条件模型、几何参数模型、传感器类模型、逻辑运算类模型。

如图2所示，优选的，设备级模型包括管道类模型、阀门类模型、容器类模型、热交换器类模型、管路附件类模型、堆芯类模型、泵类模型、汽轮机类模型、控制器类模型。

如图2所示，优选的，所述组件级模型包括核反应堆模型、蒸汽发生器模型、c型换热器模型、稳压器模型。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。