联立求解高温气冷堆多物理场多尺度多回路问题的方法研究

As a large, complicated, coupled, nonlinear dynamics system, High Temperature Gas Cooled Reactor (HTR) power plant contains many coupled parts such as the reactor, steam turbine, residual heat removal system. The coupling types between HTR subsystems include the multi-physics, multi-loop, multi-scale. Currently large system such as HTR is solved by method of explicit iteration among different variables, which can deal only with single physics field or simple coupling between few physics fields, with the weakness of low computation efficiency, low computation precision, and low stability. Therefore this method is difficult to be applied to the whole plant system featured with large scale and strong coupling. The whole HTR power plant with reactor core, primary circuit, steam generator, power generation loop, residual heat removal system is selected as the research target in this project. This project plans to adopt Jacobian free Newton Krylov (JFNK) framework, to develop efficient physics based preconditioning method for Krylov subspace, to develop different solution algorithms for different coupling types, and to integrate all subsystems into JFNK framework to achieve the simultaneously solution of the coupled system such as the HTR power plant in an efficient, reliable, and precisely way. Such methodology and analysis system for HTR power plant is not achieved before, and the algorithm and code achieved in this project can be extended into other systems and applications.

高温气冷堆核电站是一个大型、复杂、耦合的非线性动态系统，包含反应堆、蒸汽发电回路、余热排出系统等耦合回路，具有多物理场、多回路、多尺度等多种耦合方式。当前多采用各变量之间反复显式迭代的计算方法，仅能实现子系统单独求解或少数几个子系统的耦合求解，存在计算效率低、计算精度低、稳定性差的问题，很难扩展到大规模、多系统的完整系统。针对包含堆芯、一回路、蒸汽发生器、蒸汽发电回路、余热排出系统的耦合、完整的高温气冷堆电站，课题拟采用Jacobian free Newton Krylov(JFNK)框架，研究高效的基于物理的Krylov子空间预处理方法，针对多物理场、多回路、多尺度的不同耦合方式发展不同的处理方式，并集成JFNK框架下，联立求解这个耦合的系统，最终实现高温气冷堆核电站系统的高效、稳定、精确的整体联立求解。这样的处理方式和分析程序未见先例，发展的算法和开发的程序将具有可扩展性。

高温气冷堆核电站是一个大型、复杂、耦合的非线性动态系统，包含反应堆、蒸汽发电回路、余热排出系统等耦合回路，具有多物理场、多回路、多尺度等多种耦合方式。当前多采用各变量之间反复显式迭代的计算方法，仅能实现子系统单独求解或少数几个子系统的耦合求解，存在计算效率低、计算精度低、稳定性差的问题，很难扩展到大规模、多系统的完整系统。. 本课题在研究多种耦合问题求解算法的基础上，选择JFNK方法来求解这个复杂的问题。不但以工程设计软件TINTE（它实际采用一种带外推的算符分解的算法，空间上有限差分算法，数值求解用迭代法）为基础，建立新的JFNK求解框架，实现用JFNK求解真实的、精细的、全规模的工程问题；另一个研究途径是，以完全重新开发新的基于节块法的物理热工求解方法，并同样实现JFNK的耦合计算，以期获得更好的数值求解效率；另外，还尝试以更通用的有限差分离散，用矩阵计算库直接子空间方法数值求解，并从头建立堆芯、蒸汽发生器、二回路各部件的模型，组成新的一套求解框架；最后，还以美国INL国家实验室开发的MOOSE平台为基础，采用有限元为空间求解器，以面向对象编程的框架，以通用微分算法的抽象定义出发，建立高温气冷堆核电站模型的另一套求解框架。. 通过课题的支持，耦合计算方法与不确定性分析方法、堆芯功率分布监测与重构进行了结合，或为这些新的研究内容通过耦合计算模型和分析结果，试图进行学科交叉，发现新的学科点，也探索了新的内容。. 本课题采用几套研究路径平行发展，互相验证，互相补充，但还未做到互相融合，这还需要更多的研究，和更多的工作量，和工程实现。或许可以继续申请自然科学基金继续研究，并投入工程力量，实现算法和软件的工程化，满足高温气冷堆核电站的工程模拟的需求，并服务于工程实践。