一种一三维流体跨平台同步耦合仿真方法及系统与流程

本发明属于核电管网系统热流体仿真，尤其涉及一种一三维流体跨平台同步耦合仿真方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、一维流体仿真分析与三维流体仿真分析都是常用的流体系统的分析形式，一维与三维流体仿真都是基于计算流体力学原理在计算机帮助下实现的流体仿真分析方法。一维流体仿真通常是沿着管道或流道的轴向进行计算，且计算的对象有成熟的理论模型。三维流体仿真则是在三维空间中对流体流动进行的详细的求解，与一维仿真相比，可以更准确的描述复杂的流动现象(例如湍流、两相流、边界层与激波的相互作用等)。综上，一维流体仿真适用于快速分析和系统性评估，而三维仿真则更适用于需要详细流场信息和较高准确性的问题。常用的一维流体计算软件例如flowmaster与flowsystem，常用的三维流体计算软件为ansys fluent、openfoam等。

3、选择使用一维还是三维流体仿真取决于问题的复杂性、所关注的现象和研究目的。在某些需要兼顾流场细节、大规模系统与运算速度的工程场景下，一维与三维度流体仿真就需要结合使用，以提供更全面和准确的结果。一维流体仿真通常用于模拟长距离平均行为，例如管道和管路系统。它适用于描述整个系统的整体性能，但对于局部细节和复杂几何结构的建模有限。与此相反，三维流体仿真可以更好地处理局部细节和复杂几何形状，但在大规模系统中可能会导致巨大的计算成本和时间消耗。

4、核电厂工艺系统一般由设备(泵、热交换器、箱体等)、阀门和管道组成。在工艺系统的设计过程中，需要在整个系统性能达到要求的情况下，设备的运行性能也达到最佳。在以往的分析中，为了获得设备的物理场，一般对设备独立的进行三维cfd分析，通过假设其边界条件获得需要的流场、温度场等；而系统整体性能分析时，一般采用一维流体分析方法，通过将泵、热交换器等设备的性能数据作为输入，获得整个系统的运行性能。

5、发明人发现，在一维流体系统计算过程中，常常会遇到缺少设备性能参数曲线的情况。此时，需要利用三维流体仿真软件对具体设备进行三维模拟，获得需要的设备性能参数。而在三维计算时，往往缺少一维计算的结果来确定边界条件的输入。然而，在传统的一三维耦合仿真的场景下，传统的数据交互与处理方法有ftp数据传递、excel数据处理等。此类方法通常存在以下技术问题：

6、(1)效率低、精度差；

7、(2)传统数据交互方式引入了数据传输的延迟，在进行一三维耦合仿真时，需要将数据从一个仿真环境转移到另一个环境，无法实现同步耦合仿真。这个传输过程会导致数据不同步，因为一维和三维仿真之间可能存在时间上的滞后或延迟。

8、(3)此外，传统方式也会导致数据的不连续性。传统数据交互方式往往需要手动进行数据处理和转移，这可能导致数据在模拟过程出现断裂或不连续的情况。这种不连续性会影响到耦合仿真的准确性，因为模型状态在数据传递过程中可能会发生失真。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种一三维流体跨平台同步耦合仿真方法及系统，实现一维流体仿真软件与三维流体仿真软件跨平台、同步耦合的流体力学仿真，深入了解系统行为，综合考虑整体参数和局部细节，更全面地分析系统的性能，并进行优化设计，充分利用两种方法的优势，得到更准确、全面且高效的结果。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种一三维流体跨平台同步耦合仿真方法。

4、一种一三维流体跨平台同步耦合仿真方法，包括以下步骤：

5、步骤一：在linux端启动作为收发机的python脚本；在windows端运行一维流体仿真软件，初始化自定义元件；初始化结束后，linux端获取cfd求解过程中的算例边界信息，将算例边界信息发送至windows端；

6、步骤二：windows端在人机交互界面上显示边界条件设置选项，对算例边界信息进行编辑，将编辑后的边界条件发送至linux端；linux端接收到编辑后的边界条件后进行数学处理，确定初始求解条件；

7、步骤三：windows端获取一维流体仿真软件求解器在当前迭代步对自定义元件输出的入口流量数值、出口节点压力数值并发送至linux端；linux端的python脚本接收到信息后，python自动调用三维流体仿真软件，将入口流量数值、出口节点压力数值作为三维元件的边界条件参与计算，得到元件的出入口压差；

8、步骤四：linux端将元件的出入口压差反馈至windows端，windows端通过一维流体仿真软件对出入口压差进行换算并求解，判断管网流体求解结果是否收敛，若否，则循环步骤三至步骤四，进行下一次迭代，直至求解结果收敛；

9、步骤五：输出最终收敛后的求解结果，进而得到一维和三维软件的出入口流体力学参数。

10、可选的，人机交互界面的边界条件设置选项包含质量流量边界、压力入口、定流速入口、墙边界、压力出口、对称边界。

11、可选的，linux端接收到边界条件后进行数学处理，确定初始求解条件，具体为：

12、linux端的python脚本自动将windows端编辑后设置的边界条件作为初始条件写入初始压力文件或初始速度场文件，并根据伯努利方程将初始压力文件与初始速度场文件按照三维流体仿真软件的文件规则关联写入。

13、可选的，windows端一维流体仿真软件中的自定义元件选用达西公式进行嵌入求解。

14、可选的，一维流体仿真软件对三维流体仿真软件反馈的出入口压差进行换算，利用达西公式将压力数值换算为压力损失系数：

15、

16、其中，hf为压力损失系数；v为流体平均流速；ρ为流体密度；δp为出入口压降。

17、可选的，在三维流体仿真软件接收到入口流量数值和出口节点压力数值之后，三维流体仿真软件使用调用命令启动求解器进行计算，根据计算结果输出出入口压差。

18、可选的，windows端与linux端之间通过udp/ip通信协议、tcp/ip通信协议实现网络通信。

19、本发明第二方面提供了一种一三维流体跨平台同步耦合仿真系统。

20、一种一三维流体跨平台同步耦合仿真系统，包括：

21、初始化模块，被配置为：在linux端启动作为收发机的python脚本；在windows端运行一维流体仿真软件，初始化自定义元件；初始化结束后，linux端获取cfd求解过程中的算例边界信息，将算例边界信息发送至windows端；

22、编辑模块，被配置为：windows端在人机交互界面上显示边界条件设置选项，对算例边界信息进行编辑，将编辑后的边界条件发送至linux端；linux端接收到编辑后的边界条件后进行数学处理，确定初始求解条件；

23、耦合模块，被配置为：windows端获取一维流体仿真软件求解器在当前迭代步对自定义元件输出的入口流量数值、出口节点压力数值并发送至linux端；linux端运行三维流体仿真软件，将入口流量数值、出口节点压力数值作为三维元件的边界条件参与计算，得到元件的出入口压差；

24、求解模块，被配置为：linux端将元件的出入口压差反馈至windows端，windows端通过一维流体仿真软件对出入口压差进行换算并求解，判断管网流体求解结果是否收敛，若否，则循环步骤三至步骤四，进行下一次迭代，直至求解结果收敛；

25、输出模块，被配置为：输出最终收敛后的求解结果，进而得到一维和三维软件的出入口流体力学参数。

26、本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一三维流体跨平台同步耦合仿真方法中的步骤。

27、本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一三维流体跨平台同步耦合仿真方法中的步骤。

28、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

29、1、本发明提供的一三维流体跨平台同步耦合仿真方法及系统实现在常用操作系统windows下对openfoam的cfd算例的边界条件实现界面化远程编辑与执行计算，使用者操作更加便捷，同时通过将一维仿真结果用作三维仿真的输入条件，可以改善三维仿真的准确性和效率。此外，耦合仿真还能够节省计算资源，在某些情况下，使用三维仿真模拟整个系统可能需要海量的计算资源和时间，通过引入一维仿真，并利用其给出的整体特性，可以减少三维仿真所需的计算量，从而进一步提高了仿真效率。

30、2、本发明使用udp/ip通信协议，信息交互延迟低，对于快速迭代计算兼容性高。

31、3、本发明实现了windows操作系统中的一维流体力学求解与linux端的openfoam算例求解同步进行。从一维流体仿真角度，扩展了管网中元件的种类，使得一维流体软件可以通过openfoam实现了需要详细流场信息的元件计算，并可读取详细流场信息；从cfd仿真角度，实现了精细化算例嵌入管网模型的耦合计算。

32、4、本发明根据伯努利方程使用数学方法关联了openfoam算例中的边界条件，避免了人因操作问题造成的边界条件设置错误，简便了操作。

33、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。