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『簡體書』基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究

書城自編碼: 3570481
分類: 簡體書→大陸圖書→教材研究生/本科/专科教材
作者: 周夏峰
國際書號(ISBN): 9787302556428
出版社: 清华大学出版社
出版日期: 2020-11-01

頁數/字數: /
書度/開本: 16开 釘裝: 平装

售價:NT$ 594

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編輯推薦:
《基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究》属于清华大学优秀博士学位论文丛书之一,主要介绍了作者在清华大学核研院读博期间的项目成果,科研和学术水平属于业内领先。
內容簡介:
为了同时保证复杂核能耦合系统求解的收敛性、计算精度和效率,《基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究》扩展了高精度的粗网节块展开法NEM与强收敛、高效率的Jacobian-Free Newton KrylovJFNK方法,并充分发挥其各自优势将两种方法组合起来,开发了基于节块展开法的JFNK统一耦合计算平台NEM_JFNK,从高效空间离散和耦合求解方法两个角度同时出发,实现耦合系统的高效联立求解。
關於作者:
周夏峰,华中科技大学能源学院讲师硕士生导师,本科毕业于哈尔滨工程大学核科学与技术学院,博士毕业于清华大学核研院,博士后工作于美国麻省大学洛厄尔分校核工系。目前已成立虚拟反应堆耦合分析实验室,主要研究方向为多物理场耦合、核反应堆物理、热工水力数值模拟及安全分析、两相流数值模拟、虚拟反应堆技术等研究和程序开发。曾主持国家重点实验室基金、国防科技核动力技术创新项目基金、国家重大专项子子课题、教育部重点实验室基金等项目5项以及参与多个国家重要科学研究项目课题。目前已发表国内外期刊及会议论文20余篇。
目錄
第1章绪论
1.1研究背景和意义
1.2国内外研究现状
1.2.1高温堆耦合系统求解的研究现状
1.2.2JFNK求解耦合系统研究现状
1.2.3节块法的研究现状
1.3研究内容
1.3.1研究思路
1.3.2主要工作

第2章节块展开法和JFNK求解耦合系统的核心问题分析
2.1耦合系统的特殊性分析
2.1.1多物理场多回路相互耦合
2.1.2时间多尺度空间多尺度求解变量多尺度耦合
2.1.3多区域多种耦合类型并存
2.1.4高温堆耦合系统特殊性
2.2耦合系统求解的挑战和关键问题
2.2.1收敛性问题
2.2.2计算精度和效率问题
2.2.3时间空间离散格式问题
2.3耦合系统求解方法
2.3.1传统耦合方法及其存在问题
2.3.2JFNK耦合方法及其关键技术
2.4开发基于节块展开法的JFNK耦合方法的关键问题
2.4.1节块展开法统一求解耦合系统的关键问题
2.4.2基于节块展开法的JFNK的关键问题
2.5本章小结

第3章耦合模型的通用节块展开法研究
3.1耦合模型通用节块展开法的初步开发
3.1.1基本思路
3.1.2模型推导
3.2通用节块展开法求解含空腔区域中子扩散方程问题
3.3通用节块展开法求解对流扩散方程的数值特性分析
3.3.1稳定性理论分析
3.3.2耗散特性理论分析
3.3.3数值验证和分析
3.3.4特性总结和存在问题分析
3.4广义节块展开法的开发与验证
3.4.1基本思路
3.4.2模型推导和理论分析
3.4.3方法特点
3.4.4数值特性分析
3.5一种新高阶矩阵节块展开法模型开发
3.5.1基本思路
3.5.2求解框架
3.5.3方法特点
3.5.4数值振荡问题分析
3.5.5精度和计算效率分析
3.5.6横向泄漏项处理精度分析
3.6本章小结

第4章节块展开法统一求解耦合系统的关键技术研究
4.1耦合模型分析
4.2模型离散格式的统一
4.2.1耦合源项处理和高阶信息的传递
4.2.2非线性项处理和物性参数的离散
4.2.3多孔介质模型压力场与速度场之间耦合处理
4.3瞬态问题的求解
4.3.1时间项横向积分思路推广
4.3.2瞬态中子扩散方程的时间空间全横向积分处理
4.4含有多区域耦合、多类型耦合问题的统一求解
4.5计算流程和特点
4.6数值实验和分析
4.6.1多孔介质热工耦合问题
4.6.2稳态物理热工耦合问题
4.6.3瞬态物理热工耦合问题
4.6.4多种结构、多种耦合类型并存的复杂耦合问题
4.7本章小结

第5章基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统方法研究
5.1残差方程的建立
5.1.1基本思路和形式
5.1.2稳态中子场的特殊性
5.2局部消去技术研究
5.2.1基本思路
5.2.2耦合源项和横向泄漏项消去处理
5.2.3展开系数消去处理
5.2.4最终残差方程建立方案
5.3预处理技术研究
5.3.1线性预处理
5.3.2非线性预处理
5.3.3线性预处理与非线性预处理对比
5.4全局收敛技术研究
5.5计算框架
5.6数值实验和分析
5.6.1单根燃料棒耦合模型
5.6.2多维多群中子场模型
5.6.3多维多物理场耦合模型
本章小结

第6章总结与展望
6.1工作总结
6.2主要创新点
6.3工作展望

参考文献

附录ATWIGL、IAEA2D各个材料和空腔区域群常数

附录B物理热工耦合问题网格划分和截面温度系数

附录C二维4群中子场模型群常数

在学期间发表的学术论文

致谢




Contents

Chapter 1Introduction
1.1Background and Significance
1.2Research Actuality
1.2.1Coupled Methods for HTR Multiphysics Systems
1.2.2JFNK for Reactor Coupled Problems
1.2.3Nodal Method
1.3Research Work
1.3.1Research Method
1.3.2Research Framework
Chapter 2Analysis of Key Problems of NEM and JFNK
for Reactor Coupled Systems
2.1Particularity Analysis of Reactor Coupled Systems
2.1.1Multiphysics and Multiloop Coupling
2.1.2Multiscale Temperal, Spatial and Variable
Coupling
2.1.3MutiDomain Coupling and MultiType
Coupling Coexistence
2.1.4Charateristics of HTR Coupled Systems
2.2Challenge and Key Problems of Reactor Coupled Systems
2.2.1Convergence
2.2.2Accuracy and Efficiency
2.2.3Temperal and Spatial Discrete Scheme
2.3Coupled Methods of Reactor Systems
2.3.1Traditonal Coupled Method and Analysis of
Existing Problems
2.3.2JFNK Method and Key Technologies
2.4Key Ideas of JacobianFree NewtonKrylov Nodal
Expansion Method
2.4.1Nodal Expansion Method for Coupled Problems
2.4.2JacobianFree NewtonKrylov Nodal Expansion
Method for Coupled Problems
2.5Brief Summary
Chapter 3Nodal Expansion Method for Neutron and
Thermohaudraulic Model
3.1Formulation of Nodal Expansion Method
3.1.1Basic Framework
3.1.2Model Derivation
3.2Nodal Expansion Method for Neutron Prolems With
Void Regions
3.3Nodal Expansion Method for ConvectionDiffusion
Equations
3.3.1Stability Analysis
3.3.2Dissipation Analysis
3.3.3Numerical Results and Analysis
3.3.4Conclusions and Analysis of Existing Problems
3.4General Nodal Expansion Method
3.4.1Basic Framework
3.4.2Model Derivation and Theoretical Analysis
3.4.3Charateristics
3.4.4Numerical Results and Analysis
3.5A New Nodal Expansion Method With HighOrder
Moments
3.5.1Basic Ideas
3.5.2Computational Framework
3.5.3Charateristics
3.5.4Numerical Oscillation Analysis
3.5.5Numerical Accuracy and Efficiency
3.5.6Analysis of Transverse Leakage Terms
3.6Brief Summary
Chapter 4Nodal Expansion Method for Reactor
Coupled Systems
4.1Analysis of Coupled Model
4.2Unified Discrete Schemes of Coupled Model
4.2.1Special Treatments of Coupled Source Terms and
Higher Order Information Transfer
4.2.2Treatment of Nonlinear Terms and Discretization of
Property Parameter
4.2.3Coupled Problems Between Pressure and Velocity
for Porous Medium Model
4.3Transient Models
4.3.1TransverseIntegrated Techniques for Temperal
Terms
4.3.2SpaceTime Fully TransverseIntegrated Methods
for Transient Neutron Equations
4.4Gobal Solutions of MutiDomain and MultiType
Coupling Problems
4.5Calculation Process and Characteristics
4.6Numerical Results and Analysis
4.6.1Thermohydraulic Coupled Problem for Porous
Media Model
4.6.2Steady NTH Coupled Problem for Pebble
Bed Core Systems
4.6.3Transient NTH Coupled Problems
4.6.4Complicated MutiDomain and MultiType
Coupled Problems
4.7Brief Summary
Chapter 5JacobianFree NewtonKrylov Nodal Expansion
Method for Reactor Coupled Problems
5.1Residual Equation Construction
5.1.1Basic Ideas and Formulation
5.1.2Particularity Analysis of KEigenvalue Problems
5.2Local Elimination Method
5.2.1Basic Ideas
5.2.2Elimination Method for Coupled Terms
and Transverse Leakage Terms
5.2.3Elimination Method for Nodal Expansion
Coeffcients
5.2.4Establishion of Final Residuals
5.3Preconditioning Method
5.3.1Linear Preconditioning
5.3.2Nonlinear Preconditioning
5.3.3Comparision of Linear Preconditioning and
Nonlinear Preconditioning
5.4Global Convergence Method
5.5Calculation Framework
5.6Numerical Results and Analysis
5.6.1Coupled Model for Single Fuel Rods
5.6.2Mutidimensional and Mutigroup Neutron Model
5.6.3Mutidimensional and Mutiphysics Coupled Model
5.7Brief Summary
Chapter 6Conclusions and Suggestions
6.1Conclusions
6.2Innovations
6.3Suggestions
References
Appendices AMaterial Contants of TWIGL and IAEA2D
Problems
Appendices BMesh Size and Temperature Coefficient of
NTH Coupled Problems
Appendices CMaterial Constants of 2D4g Neutron
Problems
Published Academic Papers
Acknowledgements
內容試閱
导师序言
听闻周夏峰的优秀博士学位论文被清华大学出版社按专著方式出版,作为他的指导老师,我感到特别高兴。这既是对周夏峰博士期间科研成果的肯定,也为从事核电站耦合计算的同行提供了一个更好交流的机会,更是周夏峰学术生涯的一个新起点。感谢清华大学和清华大学出版社,提供专著的出版机会以及我写序的机会。
回想周夏峰的求学、研究经历,仍然历历在目。他潜心钻研,触类旁通;对发现的问题深追不放,对各种可能勇敢探索,勇于尝试;既敢于坚持自己的观点,又能虚心接受他人的建议。他先从反应堆物理计算方法出发,随后扩展到热工计算方法,再将结果反过来应用于反应堆物理计算,再应用于物理热工耦合,最终取得了出色的成果。这一直是我的希望,我的要求,也是我们团队的传统,而周夏峰做得也特别好,为师弟师妹做了一个好榜样。有学生如此,有科研同伴如此,人生一大快事、一大幸事。
对于周夏峰的论文内容,我就不在此啰嗦,请读者自己阅读、体会。在这里我想说说课题研究的大背景,也有助于大家了解此工作的来龙去脉、我们的长期探索、每一步遇到的艰辛,以及工作量的庞大和知识面的庞杂。
借助越来越强大的计算能力,我们可以把核电站的各个物理变量、各个子系统包括核功率、燃料温度、冷却剂温度、冷却剂流量、蒸汽发生器参数、辅助系统的状态、汽轮机的状态等等作为一个完整系统,联立、严格、准确地求解,而不满足于单独研究反应堆物理、反应堆热工、控制系统和蒸汽发生器;或者采用算符分解方式,仅通过各个物理场单独计算,再通过边界条件交换数据,进行一定程度的迭代,间接求解整个系统。耦合系统的联立计算更准确、更精细,也更难。这种耦合系统的高效求解,是学术界的热点和难点问题。至今,还没有能真正实现核电站全厂高效、准确、联立求解的方法。全范围模拟机的确覆盖了全电厂,但并没有真正做到所有物理场、所有系统联立求解,在数学上还属于算符分解方式。
清华大学核能与新能源技术研究院研究的球床式高温气冷堆核电站具有所有核电站的多物理场耦合、多回路构成、空间和时间上多尺度耦合、高度非线性等通用复杂性,又具有很突出的特殊性,包括在线换料的球床,燃料颗粒、燃料球、球床三级非均匀性和空间多尺度耦合,核功率的快速响应、大热容的堆芯带来的堆芯温度的缓慢响应、直流蒸汽发生器的快速响应带来的时间多尺度耦合,多个核蒸汽供应模块通过蒸汽母管连接一个汽轮发电机组的超大型系统,等等。这些特殊性带来了更大规模、更复杂的耦合特性,因此高温气冷堆核电站的耦合计算也具有更大的挑战性。
同时,针对球床式高温气冷堆,由于采用单相惰性气体氦气作为冷却剂,对于大家比较关注的堆芯计算:堆芯物理计算会等效为均匀化物质进行计算,热工水力学计算也会等效为多孔介质进行计算。物理、热工、流体计算等本身在形式上都比较简单,三者可在一个统一的场下进行计算,天然具有采用联立方程进行多物理场耦合计算的优势,并可进一步把联立计算的范围扩展到整个氦气连接的一回路、蒸汽发生器和二回路,从而对整个核电站进行真正的联立求解。从理论上,上述方法更易于联立求解整个高温气冷堆核电站,更具可行性。
根据我们的调研、理解和尝试,针对复杂耦合非线性系统的联立求解,最简单的实现思路是算符分解、Picard迭代; 但对于复杂系统,牛顿法才是出路,才能保证全局性、稳定性、收敛性。在牛顿法的各种实现方法中,JFNKJacobianFree Newton Krylov方法比较精巧,成为首选方法或主干方法,它可以融合、接纳、支撑其他方法,特别是各种预处理方法。它在系统级描述、子系统划分、子物理场描述、空间离散化、矩阵高效运算、各种预处理方法的应用、基础算法库、通用软件平台等各方面都有平衡的考虑,留有优化空间,有成功尝试的例子,很有前途但也很复杂,涉及面很广。
遵循这个思路和框架,我们从不同方面、不同角度、不同环节进行了探索和验证: 算符分解和Picard迭代; 用Picard迭代扩展堆芯模型到整个一回路、蒸汽发生器、自然循环的舱室冷却系统; 在全范围模拟机上用算符分解覆盖整个核电站; 算符分解的各种技巧; 针对堆芯物理、热工、流体计算之间的JFNK耦合计算; JFNK与非线性消去法联合解决球床多尺度问题; 堆芯物理和热工流体问题的有限差分求解; 堆芯物理、热工、流体计算的节块法; 修改传统的基于算符分解的工程软件并将其改造为JFNK求解; 基于JFNK通用平台进行求解。这些都为本书的内容打下了良好的基础,证明了JFNK的可行性和先进性,同时也令我们体会到了JFNK的复杂性与巨大挑战。
在全面地用JFNK解决高温气冷堆核电站耦合系统的联立求解之前,我们发现还有很多问题需要解决,还有漫漫长路在等着我们。如何系统地描述整个电站,高效地把整个电站划分成独立子系统、子物理场;如何用尽量统一的形式描述各子系统、子物理场,把堆芯的复杂场模型与一回路、二回路等回路模型和部件模型统一。在时间离散和空间离散方面,如何用更少的变量达到更高的精度; 如何减少耦合用到的中间变量、降低系统的变量规模;如何定义通用的框架来统一地、分层级地描述整个系统; 如何提高软件模块的可重用性、反映高温气冷堆的特殊模型、实现并行以及并行环境下的负荷平衡;如何实现软件的实用化; 如何将JFNK应用于高温气冷堆核电站的设计与运行支持,这些问题体现出此项目是一个长期、艰巨、系统的重大科研项目。当然,在整个核学科的大框架下,这也仅是沧海一粟。
在这个框架下,周夏峰提出了新的节块法形式,该方法能统一应用于物理、热工、流体计算,大大提高了堆芯计算的效率,当模型包含整个核电站时,意义尤为明显;他研究了新的节块法的稳定性问题,这对于流体计算特别有意义;还研究了在节块法框架下JFNK实现的途径,这远比有限差分方法复杂得多;他开发、验证了多种预处理技术,并开发了程序,进行了多方面的验证,等等。因此,他的工作具有基础性、关键性、承前启后性,是整个框架中闪亮的一环。
沿着我们团队探索出的这个大框架,已有多位同学做出了成果,周夏峰是其中突出的一位,现在还有很多同学,今后还有越来越多的同学,在此方面继续努力探索。
令我更加欣慰的是,周夏峰将继续在核电站耦合系统的高效求解方面努力探索,不但在高温气冷堆方面,还扩展到水冷堆方面和其他更多的领域,并不断有令人惊喜的新思路、新想法、新成果出现。他不满足于已有成绩,不断探索、不断进步,祝贺!加油!
祝周夏峰在教学、科研、人生的路上越走越顺!
李富
2019年9月10日于清华园

 

 

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