基于CAD/CSG双层混合数值化建模的蒙卡粒子混合输运实现方法

本发明涉及的是一种核反应堆控制领域的技术，具体是一种基于cad/csg双层混合数值化建模的蒙卡粒子混合输运实现方法。

背景技术：

1、在使用蒙特卡洛方法模拟粒子输运的过程中，粒子的运动在三维几何图形中进行追踪，现有的蒙卡程序通常支持构造实体几何(csg)和计算机辅助设计(cad)两种格式的几何图形。csg和cad两种几何建模方法在功能、局限性上各不相同。实现cad与csg的混合建模与混合粒子输运可以同时提高几何描述的精确性和粒子模拟时的高效性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术基于蒙卡方法对于复杂几何体进行粒子输运模拟时，单用csg几何建模方法效率较高但无法描述复杂曲面，而单用cad几何建模方法计算效率较低的问题，以及现有技术无法直接使用cad模型进行粒子输运，转换后的csg格式文件可读性较低而偏差较大的不足，提出一种基于cad/csg双层混合数值化建模的蒙卡粒子混合输运实现方法，将csg和cad两种建模方式结合的蒙特卡洛粒子输运模拟，使几何模型兼具几何描述的准确性和粒子输运模拟时高效性，解决了在复杂几何模型中使用蒙卡方法时计算效率低下的问题，为复杂空间下进行蒙卡计算提供了优化方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于cad/csg双层混合数值化建模的蒙卡粒子混合输运实现方法，将复杂几何体中的由一阶或二阶曲面包围的实体使用csg描述，由高阶曲面包围的实体采用cad建模，将两者放置于两个重叠层中进行粒子输运并通过粒子的位置坐标信息和飞行方向信息进行区分。

4、所述的粒子输运是指：将csg层和cad层中粒子当前坐标到边界的距离以及通过粒子所在层的材料信息抽样得到粒子所在层的平均自由程中的最小值作为粒子在两层中沿飞行方向同时飞行的运动距离，将粒子的位置更新至下一个碰撞点。

5、所述的通过粒子的位置坐标信息和飞行方向信息进行区分是指：通过粒子的位置坐标信息确认粒子所在的是csg层或cad层、通过粒子的飞行方向信息以及位置坐标信息分别计算csg层和cad层中粒子当前坐标到边界的距离以及通过粒子所在层的材料信息抽样得到该处的平均自由程。

6、所述方法具体包括：

7、步骤1：对于一个复杂的空间场景，将规则实体采用csg进行描述，其余部分采用cad进行描述，分别定义两层中填充的材料，同时定义蒙卡源描述、计数器信息，蒙卡程序读取时将两种不同几何描述的文件读入互相重叠的坐标系中，从而将两者结合完成对一个复杂空间场景的描述。

8、步骤2：执行粒子路径追踪，通过粒子目前所在的位置坐标信息，根据csg层和cad层的排布方式依次查找两层该位置处所填充的材料，将填充材料首次不为透明材料时的几何层作为粒子所在的层，即活动层。

9、步骤3：通过粒子所在位置坐标信息和飞行方向坐标信息计算csg层中当前位置距下一个边界面的距离dcsg以及cad层中当前位置距下一个边界面的距离dcad，将计算得到的两个距离dcsg和dcad进行比较，取两者中较小的作为粒子的真实距边界面距离ddtb。

10、步骤4：根据步骤2所得的粒子所在活动层，通过该层所填充的材料、粒子位置坐标、粒子能量信息抽样得到粒子所在活动层的自由程dffl。

11、步骤5：将通过计算与比较粒子在两层中各自距下一个边界面的距离得到的粒子真实距边界距离ddtb与通过抽样得到的粒子所在位置处的自由程dffl相比较，取两个距离中的较小值作为粒子下一次所需的运动距离d。

12、步骤6：根据粒子的飞行方向与粒子当前的位置坐标，将粒子在两层中沿飞行方向分别移动在步骤5中得到的距离d，更新粒子的位置坐标，得到粒子下一个碰撞点。

13、步骤7：通过粒子在csg层上的运动轨迹，使用栅元计数器、网格计数器统计所需的粒子通量。

14、本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：查找活动层单元、抽样单元、粒子输运单元以及统计单元，其中：查找活动层单元根据粒子的位置信息，进行按序判断两层中此位置所在材料，得到粒子所在活动层，抽样单元根据粒子所在活动层信息，通过活动层材料进行抽样自由程，得到粒子的飞行自由程，粒子输运单元根据粒子在两层中各自距下一个边界面的距离及抽样所得自由程信息，进行比较，得到粒子实际飞行距离并根据此距离移动粒子，统计单元根据csg层粒子运动轨迹，进行中子通量的统计。

15、技术效果

16、本发明通过将将两种不同描述的模型放置在具有指定优先级的两个重叠层中形成可输运的几何图形，通过独立地跟踪两层上的粒子，每次粒子活动都更新两层上的粒子状态来实现两种建模方式的粒子混合输运，从而解决了针对复杂空间场景下蒙卡输运建模过程中无法兼顾建模精确性及输运高效性的缺点，相较单用csg建模模型精确性更高；相较单用cad建模粒子输运效率更高。

技术特征：

1.一种基于cad/csg双层混合建模的蒙卡粒子混合输运实现方法，其特征在于，将复杂几何体中的由一阶或二阶曲面包围的实体使用csg描述，由高阶曲面包围的实体采用cad建模，将两者放置于两个重叠层中进行粒子输运并通过粒子的位置坐标信息和飞行方向信息进行区分。

2.根据权利要求1所述的蒙卡粒子混合输运实现方法，其特征是，所述的粒子输运是指：将csg层和cad层中粒子当前坐标到边界的距离以及通过粒子所在层的材料信息抽样得到粒子所在层的平均自由程中的最小值作为粒子在两层中沿飞行方向同时飞行的运动距离，将粒子的位置更新至下一个碰撞点。

3.根据权利要求1所述的蒙卡粒子混合输运实现方法，其特征是，所述的通过粒子的位置坐标信息和飞行方向信息进行区分是指：通过粒子的位置坐标信息确认粒子所在的是csg层或cad层、通过粒子的飞行方向信息以及位置坐标信息分别计算csg层和cad层中粒子当前坐标到边界的距离以及通过粒子所在层的材料信息抽样得到该处的平均自由程。

4.根据权利要求1-3中任一所述的蒙卡粒子混合输运实现方法，其特征是，具体包括：

5.一种实现权利要求1-4中任一所述方法的蒙卡粒子混合输运实现系统，其特征在于，包括：查找活动层单元、抽样单元、粒子输运单元以及统计单元，其中：查找活动层单元根据粒子的位置信息，进行按序判断两层中此位置所在材料，得到粒子所在活动层，抽样单元根据粒子所在活动层信息，通过活动层材料进行抽样自由程，得到粒子的飞行自由程，粒子输运单元根据粒子在两层中各自距下一个边界面的距离及抽样所得自由程信息，进行比较，得到粒子实际飞行距离并根据此距离移动粒子，统计单元根据csg层粒子运动轨迹，进行中子通量的统计。

技术总结
一种基于CAD/CSG双层混合数值化建模的蒙卡粒子混合输运实现方法，将复杂几何体中的由一阶或二阶曲面包围的实体使用CSG描述，由高阶曲面包围的实体采用CAD建模，将两者放置于两个重叠层中进行粒子输运并通过粒子的位置坐标信息和飞行方向信息进行区分。本发明将CSG和CAD两种建模方式结合的蒙特卡洛粒子输运模拟，使几何模型兼具几何描述的准确性和粒子输运模拟时高效性，解决了在复杂几何模型中使用蒙卡方法时计算效率低下的问题，为复杂空间下进行蒙卡计算提供了优化方法。

技术研发人员：潘清泉,李耘庚,刘晓晶
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1